Βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη του αγραφενίου. Πώς οι «άχρηστοι φυσικοί» από τη Ρωσία έλαβαν το βραβείο Νόμπελ

Στη Στοκχόλμη ανακοινώθηκαν τα ονόματα των νικητών του βραβείου Νόμπελ Φυσικής για το 2010. Ήταν ο καθηγητής Andrei Geim και ο καθηγητής Konstantin Novoselov. Και οι δύο βραβευθέντες, που εργάζονται στο Βρετανικό Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, κατάγονται από τη Ρωσία. Ο 52χρονος Andrey Geim είναι πολίτης της Ολλανδίας και ο 36χρονος Konstantin Novoselov έχει ρωσική και βρετανική υπηκοότητα.

Το πιο διάσημο επιστημονικό βραβείο στον κόσμο, αξίας περίπου 1,5 εκατομμυρίου δολαρίων φέτος, απονεμήθηκε σε επιστήμονες για την ανακάλυψη του γραφενίου, ενός εξαιρετικά λεπτού και εξαιρετικά ανθεκτικού υλικού, το οποίο είναι ένα φιλμ άνθρακα πάχους ενός ατόμου.

Ο επιστημονικός συντάκτης του περιοδικού Around the World, Alexander Sergeev, μιλά στο Radio Liberty για τις δυσκολίες που προέκυψαν στην ανακάλυψη του γραφενίου και ποια είναι η πρακτική εφαρμογή αυτού του υλικού:

Το ίδιο το γεγονός ότι οι επιστήμονες έχουν αποκτήσει γραφένιο είναι αξιοσημείωτο. Θεωρητικά, το γραφένιο είχε προβλεφθεί μισό αιώνα πριν από τη σύνθεσή του. Στο σχολείο, όλοι μελέτησαν τη δομή του γραφίτη - αυτό είναι ένα συνηθισμένο μολύβι. Το άτομο άνθρακα σχηματίζει λεπτές στιβάδες που τοποθετούνται επανειλημμένα το ένα πάνω στο άλλο. Κάθε στρώμα αποτελείται από εξαγωνικά κελιά που ταιριάζουν μεταξύ τους σαν κηρήθρα.

Το πρόβλημα ήταν να χωριστεί ένα στρώμα από το πάνω και το κάτω. Για ένα μόνο στρώμα αυτού του δισδιάστατου κρυστάλλου, που ονομάζεται έτσι επειδή δεν έχει τρίτη διάσταση, προβλέφθηκαν ένα σωρό διαφορετικές ενδιαφέρουσες φυσικές ιδιότητες. Πραγματοποιήθηκαν πολλά πειράματα. Αλλά δεν ήταν δυνατό να διαχωριστεί ένα στρώμα από όλα τα άλλα με ένα σταθερό αποτέλεσμα.

Ο Andrey Geim και ο Konstantin Novoselov βρήκαν έναν τρόπο με τον οποίο μπόρεσαν να επιλέξουν αυτό το επίπεδο και αργότερα να βεβαιωθούν ότι ήταν πραγματικά ένα. Οι επιστήμονες μπόρεσαν τότε να μετρήσουν τις φυσικές του ιδιότητες και να επαληθεύσουν ότι οι θεωρητικές προβλέψεις ήταν λίγο πολύ σωστές. Αυτό το πείραμα είναι πολύ απλό: οι επιστήμονες πήραν ένα συνηθισμένο μολύβι, ένα κομμάτι γραφίτη. Χρησιμοποιώντας κολλητική ταινία, αφαίρεσαν το στρώμα γραφίτη από αυτό και στη συνέχεια άρχισαν να το ξεφλουδίζουν. Όταν παρέμειναν 1-2 στρώσεις, ο γραφίτης μεταφέρθηκε σε υπόστρωμα πυριτίου.

Γιατί απέτυχαν όλα τα προηγούμενα πειράματα; Επειδή (και αυτό είχε προβλεφθεί θεωρητικά) το φιλμ γραφενίου, ένας δισδιάστατος κρύσταλλος άνθρακα, είναι ασταθής στη στρέψη. Μόλις βρεθεί σε ελεύθερη κατάσταση θα αρχίσει αμέσως να τσαλακώνεται. Υπήρχε ακόμη και η άποψη ότι ήταν αδύνατο να απομονωθεί το γραφένιο. Η εργασία των επιστημόνων έγινε το 2004 και το 2009 είχε ήδη αποκτηθεί ένα κομμάτι γραφενίου. Δηλαδή ένα φύλλο γραφενίου σε μέγεθος σχεδόν ενός εκατοστού. Και τώρα μιλάμε για δεκάδες εκατοστά.

- Γιατί χρειάζεται καθόλου αυτό το γραφένιο;

Όλα τα ηλεκτρονικά κινούνται πλέον προς την κατεύθυνση της μείωσης του μεγέθους των στοιχείων - τρανζίστορ, ηλεκτρόδια κ.λπ. Όσο μικρότερα είναι τα στοιχεία μέσα στον επεξεργαστή, τόσο περισσότερα στοιχεία μπορούν να τοποθετηθούν σε αυτόν και τόσο πιο ισχυρός μπορεί να συναρμολογηθεί ο επεξεργαστής. Κατά συνέπεια, θα εκτελεί πιο σύνθετες λογικές πράξεις. Τι θα μπορούσε να είναι πιο λεπτό από ένα ατομικό στρώμα; Το γραφένιο έχει την ιδιότητα να είναι λεπτό.

Επιπλέον, μεταφέρει ηλεκτρισμό. Και - σχεδόν διαφανές. Ταυτόχρονα, είναι αρκετά ισχυρό: είναι ένα από τα ισχυρότερα υλικά ανά ατομικό στρώμα. Πρακτικά δεν αφήνει άλλες ουσίες να περάσουν μέσα από αυτό. Ακόμη και το αέριο ήλιο δεν μπορεί να διεισδύσει στο γραφένιο, επομένως είναι μια απολύτως αξιόπιστη επίστρωση. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για παράδειγμα, σε οθόνες αφής επειδή το διαφανές ηλεκτρόδιο δεν θα κρύψει την εικόνα. Μπορείτε να δοκιμάσετε να το χρησιμοποιήσετε στα ηλεκτρονικά. Τώρα προσπαθούν να αναπτύξουν τρανζίστορ με βάση τα γραφένια. Είναι αλήθεια ότι υπάρχουν δυσκολίες εδώ. Το γραφένιο έχει ανώμαλες ιδιότητες που κάνουν τη χρήση του σε τρανζίστορ κάπως δύσκολη. Αλλά αφού μάθαμε πώς να αποκτήσουμε ατομικά στρώματα, αυτά είναι πιθανώς ήδη ξεπεράσιμα εμπόδια. Αυτό είναι ένα θεμελιωδώς νέο υλικό. Δεν έχει ξαναγίνει κάτι παρόμοιο. Το λεπτότερο μονοστρωματικό αγωγό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην τεχνολογία και τα ηλεκτρονικά.

Οι νέοι νομπελίστες έχουν μια αρκετά περίπλοκη βιογραφία. Ο ένας από αυτούς είναι πολίτης της Ολλανδίας, ο άλλος έχει δύο διαβατήρια: βρετανικό και ρωσικό. Εργάστηκαν, από όσο γνωρίζουμε, σε ένα ερευνητικό κέντρο στο Μάντσεστερ της Αγγλίας. Γίνεται διεθνής η επιστήμη ή είναι η θλιβερή μοίρα των Ρώσων επιστημόνων να κάνουν μεγάλες ανακαλύψεις μόνο αν ταξιδέψουν στο εξωτερικό;

Για να ασχοληθείτε με σοβαρή επιστημονική εργασία, χρειάζεστε όχι μόνο μια υλική και τεχνική βάση, αλλά και απλώς την ηρεμία. Ένας επιστήμονας δεν πρέπει να μπερδεύεται από καμία ερώτηση. Ο Andrey Geim έλαβε το βραβείο Ig Nobel πριν από 10 χρόνια για τα πειράματά του στη μαγνητική αιώρηση βατράχων. Το βραβείο Ig Nobel είναι ένα κόμικ αντιβραβείο για άσκοπη δουλειά. Ένας επιστήμονας χρειάζεται κάποια ελευθερία στις δραστηριότητές του. Τότε γεννιούνται ιδέες. Σήμερα αιώρησα βατράχους και αύριο παίρνω γραφένια.

Εάν ένα άτομο έχει τέτοιες συνθήκες, τότε εργάζεται πιο αποτελεσματικά. Άλλωστε και οι δύο νυν νομπελίστες στη φυσική σπούδασαν στο MIPT (Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας - RS). Και πολύ σύντομα έφυγαν για την Ολλανδία, για το Ηνωμένο Βασίλειο, επειδή η ατμόσφαιρα εργασίας εκεί είναι πιο ευνοϊκή για την εξεύρεση των απαραίτητων επιστημονικών πόρων για τη διεξαγωγή έρευνας. Έσκισαν τα φιλμ άνθρακα με ταινία, αλλά έπρεπε να μετρηθούν με μικροσκόπιο ατομικής δύναμης. Έπρεπε λοιπόν να υπάρχει αυτό το μικροσκόπιο. Στη Ρωσία, φυσικά, υπάρχουν, αλλά είναι πολύ πιο δύσκολη η πρόσβαση.

Αν πω ότι η Ρωσία έχει καλή βασική εκπαίδευση, η οποία της επιτρέπει να παράγει βραβευμένους με Νόμπελ, αλλά ταυτόχρονα δεν υπάρχει σοβαρή επιστημονική βάση υψηλής τεχνολογίας για πειράματα, θα ισχύει αυτό;

Όπως με κάθε γενίκευση, υπάρχει κάποια έκταση εδώ. Η εκπαίδευσή μας δεν είναι πια τόσο καλή και ομαλή, γιατί σε πολλά σημεία καταστρέφονται επιστημονικές σχολές. Το μεγάλο διάλειμμα στη δουλειά στα 90s είχε τα αποτελέσματά του. Υπάρχουν μερικά σχολεία στη Ρωσία όπου όλα εξακολουθούν να πάνε πολύ καλά, αλλά υπάρχουν προβλήματα με τον εξοπλισμό και τη διεξαγωγή σοβαρής, δαπανηρής έρευνας. Αυτός ο εξοπλισμός καταλήγει κάπου: από καιρό σε καιρό γίνονται αρκετά σοβαρές αγορές, για παράδειγμα, στο Ινστιτούτο Kurchatov. Αλλά πόσο αποτελεσματικά χρησιμοποιείται εκεί είναι ένα μεγάλο ερώτημα. Ως εκ τούτου, σε ορισμένα μέρη υπάρχει μια ισχυρή επιστημονική σχολή, και σε άλλα - κεφάλαια για την τεχνολογία. Είναι αρκετά δύσκολο να τα ανταλλάξουν μεταξύ τους για λόγους κύρους και γραφειοκρατίας. Στη Ρωσία, είναι επίσης δυνατή η έρευνα υψηλού επιπέδου, αλλά είναι πολύ πιο δύσκολο να διεξαχθεί - υπάρχει ένα πιο δύσκολο εργασιακό περιβάλλον εδώ.

Η επιστημονική έρευνα είναι πολύπλευρη. Υπάρχουν όμως ορισμένοι τομείς που η Επιτροπή Νόμπελ ορίζει ως σημαντική ανακάλυψη; Για ποιο πράγμα είναι πιο εύκολο να πάρεις βραβείο Νόμπελ; Ή δεν υπάρχουν τέτοιες κατευθύνσεις;

Κοίταξα τη λίστα με τους νικητές του βραβείου Νόμπελ στη φυσική τα τελευταία 20 χρόνια. Δεν υπάρχει σαφής τάση. Υπάρχουν πιθανώς αρκετά βραβεία στον τομέα της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων και των θεμελιωδών φυσικών αλληλεπιδράσεων. Αυτό είναι κατανοητό - κάνουν κάποια αρκετά ενδιαφέρουσα δουλειά εκεί. Εδώ όμως πρέπει να λάβουμε υπόψη ένα σημαντικό σημείο. Λέγεται συχνά ότι για να κερδίσεις ένα βραβείο Νόμπελ, δεν αρκεί να κάνεις πρωτοποριακή δουλειά. Πρέπει ακόμα να ζήσουμε μέχρι τη στιγμή που θα την εκτιμήσουν. Ως εκ τούτου, το βραβείο Νόμπελ απονέμεται συνήθως σε άτομα πολύ προχωρημένης ηλικίας. Από αυτή την άποψη, το φετινό Νόμπελ Φυσικής αποτελεί εξαίρεση στον κανόνα. Ο Novoselov είναι τώρα 36 ετών. Τα τελευταία 20 χρόνια, δεν έχει υπάρξει τέτοια περίπτωση μεταξύ των βραβείων φυσικής και, κατά τη γνώμη μου, δεν έχει συμβεί ποτέ! Τα τελευταία 8 χρόνια, κανένας επιστήμονας κάτω των 50 δεν έχει λάβει βραβείο Νόμπελ και πολλοί το έχουν λάβει στα 70 ή και στα 80 τους για δουλειά που έκαναν πριν από δεκαετίες.

Το τρέχον βραβείο Νόμπελ απονεμήθηκε κατά παράβαση των κανόνων. Ίσως η Επιτροπή Νόμπελ θεώρησε ότι το βραβείο γινόταν γεροντολογικό και ότι έπρεπε να μειωθεί η ηλικία λήψης του. Η τελευταία φορά που το βραβείο φυσικής απονεμήθηκε σε «νεαρή» ηλικία ήταν το 2001. Οι βραβευθέντες ήταν μεταξύ 40 και 50 ετών.

Τώρα, προφανώς, η εστίαση έχει δοθεί στην πραγματική πειραματική εργασία. Έτσι, αν και το βραβείο Νόμπελ δεν περιλαμβάνει την αστρονομία, τα τελευταία 10 χρόνια υπήρξαν δύο πολύ σημαντικά βραβεία στην αστροφυσική. Υπήρχαν βραβεία στη φυσική υψηλής ενέργειας και στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, στη φυσική στερεάς κατάστασης, στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης - δηλαδή, στερεά, υγρή και άλλες καταστάσεις στις οποίες τα άτομα είναι κοντά το ένα στο άλλο. Σχεδόν όλα αυτά τα έργα σχετίζονται, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, με την κβαντική φυσική.

- Γιατί ακριβώς η κβαντική θεωρία; Σχετίζεται αυτό με κάποιες προσωπικές προτιμήσεις των μελών της Επιτροπής Νόμπελ; Ή μήπως αυτό είναι πραγματικά το κοντινό επιστημονικό μέλλον;

Ο λόγος είναι πολύ απλός. Στην πραγματικότητα, όλη η φυσική σήμερα, εκτός από τη θεωρία της βαρύτητας, είναι κβαντική. Σχεδόν κάθε νέο που γίνεται στον τομέα της φυσικής, με εξαίρεση ορισμένες παράπλευρες κατευθύνσεις, βελτιώσεις και ανακαλύψεις που υπήρχαν στο παρελθόν, βασίζεται στην κβαντική φυσική. Μόνο η βαρύτητα δεν έχει ακόμη υποκύψει σε αυτή την «κβαντοποίηση». Και οτιδήποτε άλλο αφορά το θεμέλιο της φυσικής είναι η κβαντική θεωρία και η κβαντική θεωρία της ύλης.

Ποιός είναι αυτος? Novoselov Konstantin Sergeevich!

Βιογραφία

Ο διάσημος επιστήμονας γεννήθηκε στην πόλη Nizhny Tagil της περιοχής Sverdlovsk στις 23 Αυγούστου 1974 στην οικογένεια ενός μηχανικού και ενός καθηγητή αγγλικών στο σχολείο Νο. 39, ιδρυτής και διευθυντής του οποίου ήταν κάποτε ο παππούς του, Viktor Konstantinovich Novoselov.

Ενώ στην έκτη δημοτικού, ο Κωνσταντίνος αποκαλύπτει εξαιρετικές ικανότητες και παίρνει την πρώτη θέση στην περιφερειακή Ολυμπιάδα φυσικής και λίγο αργότερα, στην Πανενωσιακή Ολυμπιάδα, επαναλαμβάνει την επιτυχία του, μπαίνοντας στην πρώτη δεκάδα. Το 1991 αποφοίτησε από την πρόσθετη Σχολή Αλληλογραφίας Φυσικής και Τεχνολογίας και την ίδια χρονιά έγινε φοιτητής στο Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας. Σπουδάζει στην ειδικότητα «νανοτεχνολογία» στη Σχολή Φυσικής και Κβαντικής Ηλεκτρονικής και αποφοιτά με άριστα από το ινστιτούτο, μετά την οποία προσλαμβάνεται στο Ινστιτούτο Προβλημάτων Τεχνολογίας Μικροηλεκτρονικής της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών (Ινστιτούτο Προβλημάτων Μικροηλεκτρονικής Τεχνολογία της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών) στην Chernogolovka. Εκεί ολοκλήρωσε τις μεταπτυχιακές του σπουδές υπό την καθοδήγηση του Γιούρι Ντουμπρόβσκι.

Στο εξωτερικο

Το 1999, ο Konstantin Sergeevich Novoselov, ένας φυσικός με ήδη εδραιωμένη φήμη, μετακόμισε στην Ολλανδία. Εκεί, στο Πανεπιστήμιο του Nijmegen, εργάζεται μαζί με τον Andrei Geim. Από το 2001, οι επιστήμονες εργάζονται μαζί στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ. Το 2004 έλαβε το διδακτορικό του στη Φιλοσοφία (επιβλέπων Jan-Kees Maan).

Αυτή τη στιγμή, ο Konstantin Sergeevich Novoselov είναι καθηγητής στη Βασιλική Εταιρεία και καθηγητής φυσικών και μαθηματικών επιστημών στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και έχει διπλή υπηκοότητα (Ρωσία και Μεγάλη Βρετανία). Αυτή τη στιγμή ζει στο Μάντσεστερ.

Ερευνα

Τι είναι διάσημος ο Konstantin Sergeevich Novoselov; Σύμφωνα με το αναλυτικό πρακτορείο Thomson Reuters, ο Ρωσο-Βρετανός φυσικός είναι ένας από τους πιο συχνά αναφερόμενους επιστήμονες. Από την πένα του προήλθαν 190 επιστημονικά άρθρα. Ωστόσο, η πιο σημαντική έρευνά του είναι, φυσικά, το γραφένιο. Πολλοί έχουν ακούσει αυτή τη λέξη, που φαίνεται απλή και οικεία. Η τεχνολογία είναι πραγματικά λακωνική και κομψή, όπως κάθε τι έξυπνο. Περαιτέρω μελέτη μπορεί να οδηγήσει την ανθρωπότητα στην εποχή των εξαιρετικά γρήγορων και εξαιρετικά λεπτών φορητών συσκευών και υπολογιστών, των ηλεκτρικών αυτοκινήτων και των ανθεκτικών αλλά πολύ ελαφρών κατασκευών.

Βραβεία

Όταν ο Konstantin Sergeevich Novoselov άρχισε να εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, ο ανώτερος συνάδελφός του από τη Ρωσία έγινε επιβλέπων του. και με βάση αυτό δημιούργησε κολλητική ταινία, την οποία χρησιμοποίησαν αργότερα οι φυσικοί στην εργασία με το γραφένιο. Πριν από αυτό, ο Geim βοηθήθηκε από έναν συγκεκριμένο Κινέζο φοιτητή, αλλά, σύμφωνα με τον ίδιο τον φυσικό, το έργο άρχισε να προχωρά μόνο αφού ο Konstantin Sergeevich Novoselov άρχισε να δουλεύει. Το Νόμπελ τους απονεμήθηκε τον Οκτώβριο του 2010. Ο Novoselov είναι πλέον γνωστός ως ο νεότερος νομπελίστας στη φυσική (τα τελευταία 37 χρόνια), επιπλέον, αυτή τη στιγμή είναι ο μόνος επιστήμονας μεταξύ των βραβείων Νόμπελ που γεννήθηκε μετά το 1970.

Το ίδιο 2010, ο Novoselov έλαβε τον τίτλο του Commander of the Order of the Netherlands Lion για τη σημαντική συνεισφορά του στην επιστήμη στην Ολλανδία και λίγο αργότερα, το 2011, ένα διάταγμα της βασίλισσας Ελισάβετ Β' τον έκανε ιππότη εργένη, ήδη για η συμβολή του στην επιστήμη στη Μεγάλη Βρετανία. Η τελετή απονομής των ιπποτών έγινε λίγο αργότερα, την άνοιξη του 2012, όπως ήταν αναμενόμενο, στα Ανάκτορα του Μπάκιγχαμ. Επικεφαλής της ήταν η κόρη της βασίλισσας, πριγκίπισσα Άννα.

Πρέπει να ειπωθεί ότι ο Konstantin Sergeevich Novoselov, του οποίου οι επιστημονικές και κοινωνικές δραστηριότητες είναι πολύ εκτεταμένες, έλαβε ένα άλλο διάσημο βραβείο για την έρευνα του γραφενίου, και έγινε ο βραβευμένος με το Βραβείο Ευρωφυσικής το 2008. Απονέμεται κάθε δύο χρόνια· μεταξύ των παραληπτών του υπήρχαν μόνο δεκατρείς νομπελίστες. Το έπαθλο αποτελείται από χρηματική ανταμοιβή και αντίστοιχο πιστοποιητικό. Έλαβε επίσης το βραβείο Kurti, αλλά όχι για το γραφένιο, αλλά για μια λίστα επιτευγμάτων στην εργασία με χαμηλές θερμοκρασίες και μαγνητικά πεδία.

Σχετικά με την οικογένεια και τη ζωή

Ο Konstantin Novoselov είναι ευτυχώς παντρεμένος με τη σύζυγό του Irina. Αν και είναι και Ρωσίδα, οι επιστήμονες γνωρίστηκαν στο εξωτερικό, στην Ολλανδία. Η Irina, με καταγωγή από τη Vologda, ασχολείται με την έρευνα στον τομέα της μικροβιολογίας (υποστήριξε τη διατριβή της στην Αγία Πετρούπολη). Το ζευγάρι έχει δύο κόρες, τις δίδυμες Σοφία και Βίκα, που γεννήθηκαν το 2009.

Ο Konstantin Sergeevich, με τα δικά του λόγια, δεν είναι το είδος του πατέρα που κάθεται στο εργαστήριο για εβδομάδες, χάνοντας την παιδική ηλικία των παιδιών του. Για εκείνον, το να εφεύρει το μικρότερο τρανζίστορ στον κόσμο και να μάθει στην κόρη του να μετράει μέχρι το είκοσι επτά είναι κάτι που ισοδυναμεί. «Κανείς δεν το έχει ξανακάνει αυτό», λέει.

Με τη σειρά τους, οι γονείς του δεν προσπάθησαν ποτέ να περιορίσουν τα ενδιαφέροντα του γιου τους. Ήταν πάντα σίγουροι ότι ο γιος τους ήταν πολύ προικισμένος και, όπως λέει ο ίδιος ο φυσικός, δεν εξεπλάγησαν όταν έλαβε το βραβείο Νόμπελ.

Σε συνέντευξή του στο περιοδικό Esquire παραδέχτηκε ότι ονειρεύεται να μάθει να παίζει πιάνο. Σπουδάζει, ωστόσο, κατά τη δική του παραδοχή, τα αποτελέσματα είναι ακόμα μέτρια.

Σχετικά με την ΕΣΣΔ

Ο Konstantin Sergeevich γεννήθηκε στην ΕΣΣΔ και έλαβε εξαιρετική εκπαίδευση. Ο ίδιος παραδέχεται ότι τόσο βαθιά γνώση μπορεί να αποκτηθεί σε λίγα μέρη. Αλλά δεν έχει σχέδια να επιστρέψει στη Ρωσία. Ίσως γι' αυτό ακριβώς κάποιοι δημοσιογράφοι τον κατηγορούν άθελά του για την έλλειψη πατριωτισμού του. Σε αυτό, ο επιστήμονας απαντά ότι δεν πρόκειται για χρήματα, απλώς στη Βρετανία είναι πιο ήρεμο να δουλεύεις, γιατί κανείς δεν ανακατεύεται στις υποθέσεις σου.

Ο Novoselov παίρνει τη ζωή ελαφρά και δεν μένει σε αποτυχίες - αυτός είναι ένας από τους βασικούς του κανόνες. Αν προκύψουν δυσκολίες στις σχέσεις με τους ανθρώπους, προσπαθεί να μην οδηγήσει σε χωρισμό, αλλά, αν αυτό είναι αναπόφευκτο, αφήνει τον τελευταίο λόγο στον άλλον. Ο διάσημος φυσικός έχει πολλά από τα συνηθισμένα προβλήματα στη ζωή, για παράδειγμα, θα ήταν διατεθειμένος να ξοδέψει οποιαδήποτε χρήματα μόνο και μόνο για να έχει λίγο ελεύθερο χρόνο.

Αλλά δεν χωρίζει τη ζωή του σε εργασία και ανάπαυση· ίσως αυτό είναι το κλειδί για την παραγωγικότητα του επιστήμονα. Στο σπίτι σκέφτεται τη φυσική και στη δουλειά απλά χαλαρώνει την ψυχή του.

Τι είναι το γραφένιο

Παρά, φυσικά, όλα τα επιτεύγματα στον τομέα της φυσικής, το κύριο έργο του Novoselov ήταν και παραμένει το γραφένιο. Αυτή η δομή, την οποία οι συμπατριώτες μας ήταν οι πρώτοι που απέκτησαν σε εργαστηριακές συνθήκες, είναι ένα δισδιάστατο «δίκτυο» ατόμων άνθρακα πάχους μόλις ενός ατόμου. Ο ίδιος ο Novoselov ισχυρίζεται ότι η τεχνολογία δεν είναι περίπλοκη και ο καθένας μπορεί να δημιουργήσει γραφένιο, σχεδόν από αυτοσχέδια μέσα. Λέει ότι το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να αγοράσετε καλό γραφίτη, αν και μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ακόμη και μολύβια, και να ξοδέψετε λίγο σε γκοφρέτες σιλικόνης και ταινία. Αυτό ήταν, το κιτ για τη δημιουργία γραφενίου είναι έτοιμο! Έτσι, το υλικό δεν θα γίνει ιδιοκτησία αποκλειστικά μεγάλων εταιρειών· ο Novoselov και η Game το έδωσαν κυριολεκτικά σε ολόκληρο τον κόσμο.

Καταπληκτικές ιδιότητες

Ο φυσικός εκπλήσσεται επίσης από τις ηλεκτρονικές ιδιότητες αυτού του υλικού. Σύμφωνα με τον ίδιο, το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε τρανζίστορ, κάτι που ήδη προσπαθούν να κάνουν κάποιες εταιρείες, αντικαθιστώντας τα συμβατικά εξαρτήματα σε κινητές συσκευές.

Σύμφωνα με τον Novoselov, το γραφένιο θα φέρει επανάσταση στην τεχνολογία. Αναπόσπαστο κομμάτι κάθε ταινίας επιστημονικής φαντασίας είναι απίστευτα gadgets, διάφανα, λεπτά, άθραυστα και με εξαιρετική λειτουργικότητα. Εάν το γραφένιο αντικαταστήσει σταδιακά το ξεπερασμένο πυρίτιο, οι τεχνολογίες από τον κινηματογράφο θα εμφανιστούν στη ζωή.

Τι άλλο είναι αξιοσημείωτο στην έρευνα των Novoselov και Geim; Το γεγονός ότι μετανάστευσαν σχεδόν αμέσως από τα εργαστήρια στις γραμμές συναρμολόγησης, και ακόμη περισσότερο, αποδείχθηκε πολύ χρήσιμο ήδη από τα πρώτα χρόνια.

Μελλοντικές τεχνολογίες

Πού χρησιμοποιείται τώρα το γραφένιο; Φαίνεται ότι τέτοιο υλικό που ανακαλύφθηκε πρόσφατα δεν θα μπορούσε ακόμη να διανεμηθεί ευρέως, και σε κάποιο βαθμό αυτό είναι αλήθεια. Σχεδόν όλες οι εξελίξεις είναι ακόμα πειραματικής φύσης και δεν έχουν κυκλοφορήσει σε μαζική παραγωγή. Ωστόσο, τώρα προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν αυτό το υλικό κυριολεκτικά σε όλους τους τομείς, οι οποίοι, ίσως, μπορούν να ονομαστούν πραγματικός «πυρετός γραφενίου».

Το ίδιο το γραφένιο, παρά το μικρό του βάρος και τη σχεδόν πλήρη διαφάνειά του (απορροφά το 2% του μεταδιδόμενου φωτός, ακριβώς το ίδιο με το συνηθισμένο γυαλί παραθύρου), το υλικό είναι πολύ ανθεκτικό. Πρόσφατες μελέτες από Αμερικανούς επιστήμονες έχουν δείξει ότι το γραφένιο αναμιγνύεται καλά με το πλαστικό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα εξαιρετικά ισχυρό υλικό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οτιδήποτε, από έπιπλα και κινητά τηλέφωνα μέχρι την πυραυλική επιστήμη.

Πρωτότυπα μπαταριών για ηλεκτρικά αυτοκίνητα έχουν ήδη δημιουργηθεί από γραφένιο. Χαρακτηρίζονται από υψηλή χωρητικότητα και σύντομο χρόνο φόρτισης. Ίσως έτσι θα λυθεί το πρόβλημα με τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα και οι μεταφορές θα γίνουν φθηνές και φιλικές προς το περιβάλλον.

Το γραφένιο χρησιμοποιείται στην ανάπτυξη νέων πάνελ αφής για τηλέφωνα. Εάν οι κλασικοί αισθητήρες μπορούν να λειτουργήσουν μόνο σε μια επίπεδη επιφάνεια, τότε το γραφένιο δεν έχει αυτό το μειονέκτημα, επειδή μπορεί να λυγίσει με οποιονδήποτε τρόπο. Επιπλέον, η υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα θα κάνει την απόκριση ελάχιστη.

Στην αεροπορία

Τα σώματα πυραύλων και αεροσκαφών που κατασκευάζονται με γραφένιο θα είναι αρκετές φορές ελαφρύτερα, γεγονός που θα μειώσει σημαντικά το κόστος των καυσίμων. Οι πτήσεις θα γίνουν τόσο φθηνές που όλοι θα μπορούν να αντέξουν οικονομικά ένα ταξίδι στην άλλη άκρη της γης. Όμως, εκτός από τη μεταφορά επιβατών, αυτό φυσικά θα επηρεάσει και την εμπορευματική κίνηση. Ο εφοδιασμός σε απομακρυσμένες γωνιές του πλανήτη θα γίνει πολύ καλύτερος, πράγμα που σημαίνει ότι περισσότεροι άνθρωποι θα ζουν και θα εργάζονται εκεί.

ΜΟΣΧΑ, 5 Οκτωβρίου - RIA Novosti.Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2010 έγινε αργία για δύο χώρες ταυτόχρονα, για την πατρίδα των βραβευθέντων - τη Ρωσία, και για τη σημερινή πατρίδα τους - τη Βρετανία. Σουηδοί ακαδημαϊκοί απένειμαν το υψηλότερο επιστημονικό βραβείο στους Andrei Geim και Konstantin Novoselov για την ανακάλυψη μιας δισδιάστατης μορφής άνθρακα - γραφενίου, προκαλώντας τους Ρώσους επιστήμονες να θρηνούν για τη διαρροή εγκεφάλων και τους Βρετανούς να ελπίζουν για τη διατήρηση της χρηματοδότησης της επιστήμης.

«Είναι κρίμα που ο Geim και ο Novoselov έκαναν τις ανακαλύψεις τους στο εξωτερικό», δήλωσε ο επικεφαλής του Τμήματος Φυσικής Πολυμερών και Κρυστάλλων στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας, ακαδημαϊκός της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών της RIA Novosti, Alexey Khokhlov.

«Η κυβέρνηση πρέπει να μάθει από την απόφαση της Επιτροπής Νόμπελ», δήλωσε ο καθηγητής Μάρτιν Ρις, Πρόεδρος της Βασιλικής Εταιρείας, σχολιάζοντας την απονομή του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής. Υπενθύμισε ότι πολλοί επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένων και ξένων, που εργάζονται στη Βρετανία, μπορεί απλώς να φύγουν σε άλλες χώρες εάν περιοριστεί η χρηματοδότηση.

Η βρετανική κυβέρνηση θα αποκαλύψει τα σχέδια για μεγάλες περικοπές στις κρατικές δαπάνες στις 20 Οκτωβρίου. Η επιστήμη και η τριτοβάθμια εκπαίδευση αναμένεται να είναι ένας από τους τομείς που επηρεάζονται περισσότερο από τις περικοπές.

Οι απόφοιτοι του MIPT Geim και Novoselov, που εργάζονται στο Μάντσεστερ, έλαβαν το βραβείο «για καινοτόμα πειράματα στη μελέτη του δισδιάστατου υλικού γραφενίου». Θα μοιραστούν μεταξύ τους 10 εκατομμύρια σουηδικές κορώνες (περίπου ένα εκατομμύριο ευρώ). Η τελετή απονομής θα πραγματοποιηθεί στη Στοκχόλμη στις 10 Δεκεμβρίου, την ημέρα του θανάτου του ιδρυτή της, Άλφρεντ Νόμπελ.

Το γραφένιο έγινε το πρώτο δισδιάστατο υλικό στην ιστορία, αποτελούμενο από ένα ενιαίο στρώμα ατόμων άνθρακα που διασυνδέονται με μια δομή χημικών δεσμών, που θυμίζουν στη γεωμετρία του τη δομή μιας κηρήθρας. Για πολύ καιρό πίστευαν ότι μια τέτοια δομή ήταν αδύνατη.

"Πιστευόταν ότι τέτοιοι δισδιάστατοι μονοστρωματικοί κρύσταλλοι δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν. Πρέπει να χάσουν τη σταθερότητα και να μετατραπούν σε κάτι άλλο, γιατί στην πραγματικότητα πρόκειται για ένα αεροπλάνο χωρίς πάχος", το πρώην αφεντικό των βραβευθέντων, διευθυντής του Ινστιτούτου Προβλημάτων Τεχνολογίας Μικροηλεκτρονικής και Υλικών Υψηλής Καθαρότητας της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών (IPTM) δήλωσε στο RIA Novosti ) Βιάτσεσλαβ Τουλίν.

Ωστόσο, το «αδύνατο» υλικό, όπως αποδεικνύεται, έχει μοναδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες που το καθιστούν απαραίτητο σε διάφορους τομείς. Το γραφένιο μεταφέρει ηλεκτρισμό όπως και τον χαλκό· μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία οθονών αφής, ηλιακών κυψελών και εύκαμπτων ηλεκτρονικών συσκευών.

"Αυτή είναι μια μελλοντική επανάσταση στη μικροηλεκτρονική. Εάν οι υπολογιστές είναι τώρα gigahertz, τότε θα υπάρχουν terahertz και ούτω καθεξής. Τα τρανζίστορ και όλα τα άλλα στοιχεία των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων θα δημιουργηθούν με βάση το γραφένιο", Alexey Fomichev, καθηγητής στο MIPT Το τμήμα κβαντικής ηλεκτρονικής, δήλωσε στο RIA Novosti.

Το γραφένιο έχει ήδη βρει έναν τομέα εφαρμογής: τα ηλιακά φωτοβολταϊκά κύτταρα. "Προηγουμένως, για την παραγωγή ηλιακών κυψελών, οξείδια του ινδίου εμποτισμένα με κασσίτερο χρησιμοποιούνταν ως διαφανές ηλεκτρόδιο. Αλλά αποδείχτηκε ότι πολλά στρώματα γραφενίου είναι πολύ πιο αποτελεσματικά", δήλωσε ο Alexander Vul, επικεφαλής του εργαστηρίου φυσικής δομών συστάδων. στο ΦυσικοΤεχνικό Ινστιτούτο Ioffe της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών της Αγίας Πετρούπολης.

Πρώτα από Φυσική και Τεχνολογία

Ο Andrei Geim και ο Konstantin Novoselov είναι οι πρώτοι απόφοιτοι του Ινστιτούτου Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας που έλαβαν το βραβείο Νόμπελ: πριν από αυτό, οι ιδρυτές και υπάλληλοι του MIPT - Pyotr Kapitsa, Nikolai Semenov, Lev Landau, Igor Tamm, Alexander Prokhorov, Nikolai Basov , Vitaly Ginzburg και Alexey Abrikosov. Ο Geim αποφοίτησε από τη Σχολή Γενικής και Εφαρμοσμένης Φυσικής (GPPF) το 1982, ο Novoselov από τη Σχολή Φυσικής και Κβαντικής Ηλεκτρονικής (FFQE) το 1997. Και οι δύο απόφοιτοι έλαβαν άριστα διπλώματα.

"Αυτά είναι σούπερ νέα. Είμαστε πολύ ευχαριστημένοι με την απόφαση της Επιτροπής Νόμπελ. Η MIPT έχει ήδη στείλει συγχαρητήρια στους νέους νομπελίστες", δήλωσε στο RIA Novosti ο πρύτανης του MIPT Νικολάι Κουδριάβτσεφ την Τρίτη.

Σύμφωνα με τον πρύτανη, το προσωπικό «μάζεψε τους προσωπικούς τους φακέλους από το αρχείο και πείστηκε ότι επρόκειτο για εξαιρετικούς μαθητές». Ταυτόχρονα, ο Andrei Geim δεν μπήκε στο ινστιτούτο την πρώτη φορά, έχοντας εργαστεί σε ένα εργοστάσιο για ένα χρόνο, αλλά "έδειξε επιμονή" και έγινε φοιτητής στο MIPT.

"Κατά τη διάρκεια ολόκληρης της περιόδου των σπουδών του στο FOPF, ο Geim έλαβε τις υψηλότερες κριτικές από τους δασκάλους. Και η αποφοίτηση του Geim βαθμολογήθηκε εξαιρετικά από την επιτροπή αποφοίτησης", δήλωσε ο επικεφαλής του MIPT.

Ένας φοιτητής της 152ης ομάδας της Σχολής Φυσικής και Κβαντικής Ηλεκτρονικής, ο Konstantin Novoselov, όπως σημείωσε ο Kudryavtsev, «παρακολούθησε τα μαθήματα παράτυπα, αλλά πέρασε όλες τις εργασίες με επιτυχία και έγκαιρα».

"Και οι κριτικές των δασκάλων για τον Novoselov είναι επίσης οι υψηλότερες. Αυτό σημαίνει ότι ήταν τόσο ταλαντούχος που, γενικά, δεν χρειαζόταν να παρακολουθήσει όλα τα μαθήματα", σχολίασε ο πρύτανης του MIPT για τα αρχειακά έγγραφα.

Από το Σνόμπελ στο Νόμπελ

Συνάδελφος του παιχνιδιού, Konstantin Novoselov, έγινε ο νεότερος νομπελίστας με ρωσική υπηκοότητα: ο 36χρονος φυσικός είναι έξι χρόνια νεότερος από τον Σοβιετικό συνάδελφό του Νικολάι Μπάσοφ, ο οποίος, στα 42 του, έλαβε το βραβείο του 1964 για το έργο του στον τομέα της κβαντικής ηλεκτρονικής, που οδήγησε στην τη δημιουργία εκπομπών και ενισχυτών με βάση την αρχή λέιζερ-μέιζερ.

Ο νεότερος νικητής του βραβείου Νόμπελ στην ιστορία ήταν ο Lawrence Bragg, ο οποίος σε ηλικία 25 ετών μοιράστηκε το βραβείο φυσικής με τον πατέρα του, William Henry Bragg. Οι επόμενες τέσσερις θέσεις στη λίστα με τους νεότερους βραβευθέντες στην ιστορία καταλαμβάνονται επίσης από φυσικούς: οι Werner Heisenberg, Zongdao Li, Carl Anderson και Paul Dirac έλαβαν το βραβείο σε ηλικία 31 ετών.

Ο Konstantin Novoselov, ωστόσο, θα μείνει στην ιστορία του βραβείου ως ο πρώτος εκπρόσωπος της γενιάς που γεννήθηκε τη δεκαετία του 1970. Σύμφωνα με την ιστοσελίδα του βραβείου, ο κατάλογος των βραβευθέντων της προηγούμενης δεκαετίας περιλαμβάνει τον φυσικό Έρικ Κορνέλ, τους βιολόγους Κάρολ Γκρέιντερ και Κρεγκ Μέλο, καθώς και τον Πρόεδρο των ΗΠΑ Μπαράκ Ομπάμα, ο οποίος έλαβε το Νόμπελ Ειρήνης. Δεν υπάρχει κανένας νεότερος από το 1961, εκτός από τον Novoselov, στη λίστα των βραβευθέντων.

Από τον συντάκτη: αγγίζοντας το θέμα του εκσυγχρονισμού της ρωσικής οικονομίας και της ανάπτυξης υψηλών τεχνολογιών στη χώρα μας, θέσαμε το καθήκον όχι μόνο να επιστήσουμε την προσοχή των αναγνωστών στις ελλείψεις, αλλά και να μιλήσουμε για θετικά παραδείγματα. Επιπλέον, υπάρχουν τέτοια, και αρκετά. Την περασμένη εβδομάδα μιλήσαμε για την ανάπτυξη κυψελών καυσίμου στη Ρωσία και σήμερα θα μιλήσουμε για το γραφένιο, για τη μελέτη των ιδιοτήτων του οποίου οι «πρώην άνθρωποι μας» έλαβαν πρόσφατα βραβείο Νόμπελ. Αποδεικνύεται ότι στη Ρωσία, ή πιο συγκεκριμένα στο Νοβοσιμπίρσκ, εργάζονται σε αυτό το υλικό πολύ σοβαρά.

Το πυρίτιο, ως βάση της μικροηλεκτρονικής, έχει κερδίσει σταθερά μια θέση στον χώρο της υψηλής τεχνολογίας, και αυτό δεν συνέβη τυχαία. Πρώτον, είναι σχετικά εύκολο να προσδοθούν οι επιθυμητές ιδιότητες στο πυρίτιο. Δεύτερον, είναι γνωστό στην επιστήμη εδώ και πολύ καιρό και έχει μελετηθεί σε μεγάλο βαθμό. Ο τρίτος λόγος είναι ότι πραγματικά τεράστια ποσά έχουν επενδυθεί στην τεχνολογία πυριτίου και λίγοι άνθρωποι θα τολμήσουν να στοιχηματίσουν στο νέο υλικό τώρα. Άλλωστε, αυτό θα απαιτήσει την ανοικοδόμηση ενός τεράστιου βιομηχανικού τομέα. Ή μάλλον, χτίστε το σχεδόν από την αρχή.

Ωστόσο, υπάρχουν και άλλοι διεκδικητές για την ηγεσία ως υλικό ημιαγωγών. Για παράδειγμα, το γραφένιο, που έγινε πολύ της μόδας μετά την απονομή του βραβείου Νόμπελ για τη μελέτη των ιδιοτήτων του. Υπάρχουν πράγματι λόγοι για να μεταβείτε σε αυτό από το πυρίτιο, καθώς το γραφένιο έχει μια σειρά από σημαντικά πλεονεκτήματα. Αλλά αν τελικά θα πάρουμε "ηλεκτρονικά σε γραφένιο" δεν είναι ακόμα σαφές, γιατί μαζί με τα πλεονεκτήματα υπάρχουν και μειονεκτήματα.

Για να μιλήσουμε για τις προοπτικές του γραφενίου στη μικροηλεκτρονική και τις μοναδικές του ιδιότητες, συναντηθήκαμε στο Νοβοσιμπίρσκ με τον επικεφαλής ερευνητή στο Ινστιτούτο Ανόργανης Χημείας που φέρει το όνομά του. A.V. Nikolaev SB RAS, Διδάκτωρ Χημικών Επιστημών, Καθηγητής Vladimir Fedorov.

Alla Arshinova: Vladimir Efimovich, ποια είναι η τρέχουσα θέση του πυριτίου στη μικροηλεκτρονική;

Βλαντιμίρ Φεντόροφ: Το πυρίτιο έχει χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα ως το κύριο υλικό ημιαγωγών. Το γεγονός είναι ότι ντοπάρεται εύκολα, δηλαδή μπορούν να προστεθούν άτομα διαφόρων στοιχείων σε αυτό, τα οποία αλλάζουν συγκεκριμένα τις φυσικές και χημικές ιδιότητες. Αυτή η τροποποίηση του πυριτίου υψηλής καθαρότητας καθιστά δυνατή τη λήψη ημιαγωγών υλικών τύπου n ή p. Έτσι, το κατευθυντικό ντόπινγκ του πυριτίου ρυθμίζει τις λειτουργικές ιδιότητες των υλικών που είναι σημαντικά για τη μικροηλεκτρονική.

Το πυρίτιο είναι πραγματικά ένα μοναδικό υλικό και αυτός είναι ο λόγος που έχει επενδυθεί τόση προσπάθεια, χρήματα και πνευματικοί πόροι σε αυτό. Οι θεμελιώδεις ιδιότητες του πυριτίου έχουν μελετηθεί με τόση λεπτομέρεια που υπάρχει μια ευρέως διαδεδομένη πεποίθηση ότι απλά δεν μπορεί να υπάρξει αντικατάσταση του. Ωστόσο, πρόσφατη έρευνα στο γραφένιο έδωσε το πράσινο φως σε μια άλλη άποψη, η οποία είναι ότι νέα υλικά θα μπορούσαν να αναπτυχθούν σε σημείο που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν το πυρίτιο.

Κρυσταλλική δομή πυριτίου

Τέτοιες συζητήσεις προκύπτουν περιοδικά στην επιστήμη και, κατά κανόνα, επιλύονται μόνο μετά από σοβαρή έρευνα. Για παράδειγμα, πρόσφατα υπήρξε παρόμοια κατάσταση με υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας. Το 1986, οι Bednorz και Müller ανακάλυψαν την υπεραγωγιμότητα στο οξείδιο βαρίου-λανθανίου-χαλκού (για την ανακάλυψη αυτή τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ το 1987 - ένα χρόνο μετά την ανακάλυψη!), η οποία ανιχνεύθηκε σε θερμοκρασίες πολύ υψηλότερες από τις τιμές χαρακτηριστικό του προηγουμένως γνωστού χρόνου υπεραγώγιμων υλικών. Επιπλέον, η δομή των υπεραγώγιμων ενώσεων χαλκού διέφερε σημαντικά από τους υπεραγωγούς χαμηλής θερμοκρασίας. Στη συνέχεια, μια χιονοστιβάδα μελετών σχετικών συστημάτων οδήγησε στην παραγωγή υλικών με υπεραγώγιμη θερμοκρασία μετάπτωσης 90 Κ και υψηλότερη. Αυτό σήμαινε ότι αντί για ακριβό και ιδιότροπο υγρό ήλιο, το υγρό άζωτο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ψυκτικό - υπάρχει πολύ σε αέρια μορφή στη φύση και, επιπλέον, είναι σημαντικά φθηνότερο από το ήλιο.

Όμως, δυστυχώς, αυτή η ευφορία έσβησε σύντομα μετά από προσεκτική έρευνα σε νέους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας. Αυτά τα πολυκρυσταλλικά υλικά, όπως και άλλα πολύπλοκα οξείδια, είναι σαν τα κεραμικά: είναι εύθραυστα και μη όλκιμα. Αποδείχθηκε ότι μέσα σε κάθε κρύσταλλο η υπεραγωγιμότητα έχει καλές παραμέτρους, αλλά σε συμπαγή δείγματα τα κρίσιμα ρεύματα είναι αρκετά χαμηλά, γεγονός που οφείλεται σε ασθενείς επαφές μεταξύ των κόκκων του υλικού. Οι αδύναμες συνδέσεις Josephson μεταξύ υπεραγώγιμων κόκκων δεν επιτρέπουν την παραγωγή ενός υλικού (για παράδειγμα, ενός σύρματος) με υψηλά υπεραγώγιμα χαρακτηριστικά.

Ηλιακή μπαταρία βασισμένη σε πολυκρυσταλλικό πυρίτιο

Η ίδια κατάσταση μπορεί να συμβεί και με το γραφένιο. Προς το παρόν, έχουν βρεθεί πολύ ενδιαφέρουσες ιδιότητες για αυτό, αλλά μένει να γίνει εκτεταμένη έρευνα για να απαντηθεί οριστικά το ερώτημα της δυνατότητας παραγωγής αυτού του υλικού σε βιομηχανική κλίμακα και χρήσης του στη νανοηλεκτρονική.

Alla Arshinova: Εξηγήστε τι είναι το γραφένιο και πώς διαφέρει από τον γραφίτη;

Βλαντιμίρ Φεντόροφ: Το γραφένιο είναι ένα μονοατομικό στρώμα που σχηματίζεται από άτομα άνθρακα, το οποίο, όπως ο γραφίτης, έχει ένα πλέγμα σε σχήμα κηρήθρας. Και ο γραφίτης είναι, κατά συνέπεια, στρώματα γραφενίου στοιβαγμένα το ένα πάνω στο άλλο. Τα στρώματα του γραφενίου στον γραφίτη συνδέονται μεταξύ τους με πολύ αδύναμους δεσμούς van der Waals, γι' αυτό είναι τελικά δυνατό να σχιστούν το ένα από το άλλο. Όταν γράφουμε με μολύβι, αυτό είναι ένα παράδειγμα του ότι αφαιρούμε στρώματα γραφίτη. Είναι αλήθεια ότι το ίχνος ενός μολυβιού που παραμένει στο χαρτί δεν είναι ακόμα γραφένιο, αλλά μια πολυστρωματική δομή γραφενίου.

Τώρα κάθε παιδί μπορεί να ισχυριστεί σοβαρά ότι δεν μεταφέρει απλώς χαρτί, αλλά δημιουργεί μια πολύπλοκη πολυστρωματική δομή γραφενίου

Αλλά εάν είναι δυνατό να χωριστεί μια τέτοια δομή σε ένα στρώμα, τότε λαμβάνεται αληθινό γραφένιο. Παρόμοιες διασπάσεις πραγματοποιήθηκαν από τους φετινούς νομπελίστες στη φυσική, Geim και Novoselov. Κατάφεραν να χωρίσουν τον γραφίτη χρησιμοποιώντας ταινία και αφού μελέτησαν τις ιδιότητες αυτού του «στρώματος γραφίτη», αποδείχθηκε ότι έχει πολύ καλές παραμέτρους για χρήση στη μικροηλεκτρονική. Μία από τις αξιοσημείωτες ιδιότητες του γραφενίου είναι η υψηλή του κινητικότητα ηλεκτρονίων. Λένε ότι το γραφένιο θα γίνει απαραίτητο υλικό για υπολογιστές, τηλέφωνα και άλλο εξοπλισμό. Γιατί; Γιατί σε αυτόν τον τομέα υπάρχει μια τάση επιτάχυνσης των διαδικασιών επεξεργασίας πληροφοριών. Αυτές οι διαδικασίες σχετίζονται με την ταχύτητα του ρολογιού. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα λειτουργίας, τόσο περισσότερες λειτουργίες μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία ανά μονάδα χρόνου. Επομένως, η ταχύτητα των φορέων φορτίου είναι πολύ σημαντική. Αποδείχθηκε ότι οι φορείς φορτίου στο γραφένιο συμπεριφέρονται σαν σχετικιστικά σωματίδια με μηδενική αποτελεσματική μάζα. Αυτές οι ιδιότητες του γραφενίου δίνουν πραγματικά ελπίδα ότι θα είναι δυνατή η δημιουργία συσκευών ικανών να λειτουργούν σε συχνότητες terahertz, οι οποίες είναι απρόσιτες στο πυρίτιο. Αυτή είναι μια από τις πιο ενδιαφέρουσες ιδιότητες του υλικού.

Βραβευμένοι με Νόμπελ Φυσικής 2010 Andre Geim και Konstantin Novoselov

Εύκαμπτες και διαφανείς μεμβράνες μπορούν να ληφθούν από το γραφένιο, το οποίο είναι επίσης πολύ ενδιαφέρον για μια σειρά από εφαρμογές. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι είναι ένα πολύ απλό και πολύ ελαφρύ υλικό, ελαφρύτερο από το πυρίτιο. Εκτός αυτού, υπάρχει άφθονο άνθρακα στη φύση. Επομένως, εάν βρουν πραγματικά τρόπο να χρησιμοποιήσουν αυτό το υλικό σε υψηλές τεχνολογίες, τότε, φυσικά, θα έχει καλές προοπτικές και, ίσως, θα αντικαταστήσει τελικά το πυρίτιο.

Υπάρχει όμως ένα θεμελιώδες πρόβλημα που σχετίζεται με τη θερμοδυναμική σταθερότητα των αγωγών χαμηλών διαστάσεων. Όπως είναι γνωστό, τα στερεά χωρίζονται σε διάφορα χωρικά συστήματα. για παράδειγμα, το τρισδιάστατο (τρισδιάστατο) σύστημα περιλαμβάνει ογκομετρικούς κρυστάλλους. Τα δισδιάστατα (2D) συστήματα αντιπροσωπεύονται από κρυστάλλους σε στρώματα. Και οι δομές αλυσίδας ανήκουν σε ένα μονοδιάστατο (1D) σύστημα. Έτσι, οι δομές χαμηλής διάστασης - 1D αλυσίδας και 2D στρώσεων με μεταλλικές ιδιότητες δεν είναι σταθερές από θερμοδυναμική άποψη· καθώς μειώνεται η θερμοκρασία, τείνουν να μετατρέπονται σε ένα σύστημα που χάνει τις μεταλλικές του ιδιότητες. Αυτές είναι οι λεγόμενες μεταβάσεις μετάλλου-διηλεκτρισμού. Το πόσο σταθερά θα είναι τα υλικά γραφενίου σε ορισμένες συσκευές μένει να φανεί. Φυσικά, το γραφένιο είναι ενδιαφέρον, τόσο από την άποψη των ηλεκτροφυσικών ιδιοτήτων όσο και από την άποψη μηχανικών. Το μονολιθικό στρώμα του γραφενίου πιστεύεται ότι είναι πολύ ισχυρό.

Alla Arshinova: Πιο δυνατό από το διαμάντι;

Βλαντιμίρ Φεντόροφ: Το διαμάντι έχει τρισδιάστατους δεσμούς και είναι μηχανικά πολύ ισχυρό. Στον γραφίτη, οι διατομικοί δεσμοί στο επίπεδο είναι οι ίδιοι, ίσως και ισχυρότεροι. Το γεγονός είναι ότι από θερμοδυναμική άποψη, το διαμάντι πρέπει να μετατραπεί σε γραφίτη, επειδή ο γραφίτης είναι πιο σταθερός από το διαμάντι. Αλλά στη χημεία υπάρχουν δύο σημαντικοί παράγοντες που ελέγχουν τη διαδικασία μετασχηματισμού: η θερμοδυναμική σταθερότητα των φάσεων και η κινητική της διαδικασίας, δηλαδή ο ρυθμός μετατροπής μιας φάσης σε μια άλλη. Έτσι, τα διαμάντια βρίσκονται στα μουσεία σε όλο τον κόσμο εδώ και αιώνες και δεν θέλουν να μετατραπούν σε γραφίτη, αν και θα έπρεπε. Ίσως σε εκατομμύρια χρόνια να μετατραπούν ακόμα σε γραφίτη, αν και θα ήταν πολύ κρίμα. Η διαδικασία μετατροπής του διαμαντιού σε γραφίτη σε θερμοκρασία δωματίου συμβαίνει με πολύ αργό ρυθμό, αλλά εάν θερμάνετε το διαμάντι σε υψηλή θερμοκρασία, τότε το κινητικό φράγμα θα είναι ευκολότερο να ξεπεραστεί και αυτό θα συμβεί σίγουρα.

Ο γραφίτης στην αρχική του μορφή

Alla Arshinova: Είναι γνωστό εδώ και πολύ καιρό ότι ο γραφίτης μπορεί να χωριστεί σε πολύ λεπτές νιφάδες. Ποιο ήταν τότε το επίτευγμα των νομπελίστων του 2010 στη φυσική;

Βλαντιμίρ Φεντόροφ: Μάλλον γνωρίζετε έναν τέτοιο χαρακτήρα όπως ο Petrik. Αφού παρέδωσε το βραβείο Νόμπελ στον Αντρέι Γκέιμ και τον Κονσταντίν Νοβοσέλοφ, δήλωσε ότι του έκλεψαν το βραβείο Νόμπελ. Σε απάντηση, ο Geim είπε ότι, πράγματι, τέτοια υλικά ήταν γνωστά εδώ και πολύ καιρό, αλλά τους δόθηκε το βραβείο για τη μελέτη των ιδιοτήτων του γραφενίου και όχι για την ανακάλυψη μιας μεθόδου για την παραγωγή του ως τέτοια. Στην πραγματικότητα, το πλεονέκτημά τους είναι ότι κατάφεραν να χωρίσουν στρώματα γραφενίου πολύ καλής ποιότητας από γραφίτη υψηλής προσανατολισμού και να μελετήσουν λεπτομερώς τις ιδιότητές τους. Η ποιότητα του γραφενίου είναι πολύ σημαντική, όπως και στην τεχνολογία πυριτίου. Όταν έμαθαν πώς να αποκτούν πυρίτιο πολύ υψηλού βαθμού καθαρότητας, μόνο τότε κατέστη δυνατή η ηλεκτρονική που βασίστηκε σε αυτό. Η ίδια κατάσταση είναι και με το γραφένιο. Ο Geim και ο Novoselov πήραν πολύ καθαρό γραφίτη με τέλεια στρώματα, κατάφεραν να χωρίσουν ένα στρώμα και μελέτησαν τις ιδιότητές του. Ήταν οι πρώτοι που απέδειξαν ότι αυτό το υλικό έχει ένα σύνολο μοναδικών ιδιοτήτων.

Alla Arshinova: Σε σχέση με την απονομή του βραβείου Νόμπελ σε επιστήμονες με ρωσικές ρίζες που εργάζονται στο εξωτερικό, οι συμπατριώτες μας, μακριά από την επιστήμη, αναρωτιούνται εάν ήταν δυνατόν να επιτευχθούν τα ίδια αποτελέσματα εδώ στη Ρωσία;

Βλαντιμίρ Φεντόροφ: Μάλλον ήταν δυνατό. Απλώς έφυγαν την κατάλληλη στιγμή. Το πρώτο τους άρθρο, που δημοσιεύτηκε στο Nature, συντάχθηκε από κοινού με αρκετούς επιστήμονες από την Chernogolovka. Προφανώς και οι Ρώσοι ερευνητές μας εργάστηκαν προς αυτή την κατεύθυνση. Αλλά δεν ήταν δυνατό να ολοκληρωθεί με πειστικό τρόπο. Είναι κρίμα. Ίσως ένας από τους λόγους είναι οι πιο ευνοϊκές συνθήκες για εργασία σε ξένα επιστημονικά εργαστήρια. Ήρθα πρόσφατα από την Κορέα και μπορώ να συγκρίνω τις συνθήκες εργασίας που μου έδωσαν εκεί με τη δουλειά στο σπίτι. Εκεί λοιπόν δεν με απασχόλησε τίποτα, αλλά στο σπίτι ήμουν γεμάτος από καθήκοντα ρουτίνας που μου έπαιρναν πολύ χρόνο και με αποσπούσαν συνεχώς την προσοχή από τα κύρια. Μου παρείχαν όλα όσα χρειαζόμουν, και αυτό έγινε με εκπληκτική ταχύτητα. Για παράδειγμα, αν χρειαστώ κάποιου είδους αντιδραστήριο, γράφω ένα σημείωμα και μου το φέρνουν την επόμενη μέρα. Υποψιάζομαι ότι και οι νομπελίστες έχουν πολύ καλές συνθήκες εργασίας. Λοιπόν, είχαν αρκετή επιμονή: προσπάθησαν πολλές φορές να πάρουν καλό υλικό και τελικά πέτυχαν. Πραγματικά ξόδεψαν πολύ χρόνο και προσπάθεια σε αυτό, και από αυτή την άποψη το βραβείο απονεμήθηκε επάξια.

Alla Arshinova: Ποια είναι ακριβώς τα πλεονεκτήματα του γραφενίου σε σύγκριση με το πυρίτιο;

Βλαντιμίρ Φεντόροφ: Πρώτον, έχουμε ήδη πει ότι έχει υψηλή κινητικότητα φορέων· όπως λένε οι φυσικοί, οι φορείς φορτίου δεν έχουν μάζα. Η μάζα πάντα επιβραδύνει την κίνηση. Και στο γραφένιο, τα ηλεκτρόνια κινούνται με τέτοιο τρόπο που μπορούν να θεωρηθούν χωρίς μάζα. Αυτή η ιδιότητα είναι μοναδική: αν υπάρχουν άλλα υλικά και σωματίδια με παρόμοιες ιδιότητες, είναι εξαιρετικά σπάνια. Αυτό για το οποίο αποδείχτηκε καλό το γραφένιο, και αυτός είναι επίσης ο λόγος που συγκρίνεται ευνοϊκά με το πυρίτιο.

Δεύτερον, το γραφένιο έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα και αυτό είναι πολύ σημαντικό για ηλεκτρονικές συσκευές. Είναι πολύ ελαφρύ και το φύλλο γραφενίου είναι διαφανές και εύκαμπτο και μπορεί να τυλιχτεί σε ρολό. Το γραφένιο μπορεί να είναι πολύ φθηνό εάν αναπτυχθούν βέλτιστες μέθοδοι για την παραγωγή του. Άλλωστε, η «μέθοδος της ταινίας Scotch» που επιδεικνύεται από τους Game και Novoselov δεν είναι βιομηχανική. Αυτή η μέθοδος παράγει δείγματα πραγματικά υψηλής ποιότητας, αλλά σε πολύ μικρές ποσότητες, μόνο για έρευνα.

Και τώρα οι χημικοί αναπτύσσουν άλλους τρόπους για την παραγωγή γραφενίου. Εξάλλου, πρέπει να αποκτήσετε μεγάλα φύλλα για να θέσετε σε ροή την παραγωγή γραφενίου. Με αυτά τα θέματα ασχολούμαστε και εδώ στο Ινστιτούτο Ανόργανης Χημείας. Εάν μάθουν να συνθέτουν γραφένιο χρησιμοποιώντας μεθόδους που θα καθιστούσαν δυνατή την παραγωγή υλικού υψηλής ποιότητας σε βιομηχανική κλίμακα, τότε υπάρχει ελπίδα ότι θα φέρει επανάσταση στη μικροηλεκτρονική.

Alla Arshinova: Όπως όλοι πιθανότατα γνωρίζουν ήδη από τα μέσα, μια πολυστρωματική δομή γραφενίου μπορεί να ληφθεί χρησιμοποιώντας μολύβι και κολλητική ταινία. Ποια είναι η τεχνολογία για την παραγωγή γραφενίου που χρησιμοποιείται σε επιστημονικά εργαστήρια;

Βλαντιμίρ Φεντόροφ: Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι. Ένα από αυτά είναι γνωστό εδώ και πολύ καιρό· βασίζεται στη χρήση οξειδίου του γραφίτη. Η αρχή του είναι αρκετά απλή. Ο γραφίτης τοποθετείται σε διάλυμα υψηλής οξειδωτικών ουσιών (για παράδειγμα, θειικό, νιτρικό οξύ κ.λπ.) και όταν θερμαίνεται, αρχίζει να αλληλεπιδρά με οξειδωτικά μέσα. Σε αυτή την περίπτωση, ο γραφίτης χωρίζεται σε πολλά φύλλα ή ακόμα και σε μονατομικά στρώματα. Αλλά οι μονοστοιβάδες που προκύπτουν δεν είναι γραφένιο, αλλά είναι οξειδωμένο γραφένιο, το οποίο περιέχει συνδεδεμένες ομάδες οξυγόνου, υδροξυλίου και καρβοξυλίου. Τώρα το κύριο καθήκον είναι να επαναφέρουμε αυτά τα στρώματα στο γραφένιο. Δεδομένου ότι η οξείδωση παράγει μικρά σωματίδια, πρέπει να κολληθούν μεταξύ τους με κάποιο τρόπο για να ληφθεί ένας μονόλιθος. Οι προσπάθειες των χημικών στοχεύουν στην κατανόηση του πώς είναι δυνατόν να κατασκευαστεί ένα φύλλο γραφενίου από οξείδιο γραφίτη, η τεχνολογία παραγωγής του οποίου είναι γνωστή.

Υπάρχει μια άλλη μέθοδος, επίσης αρκετά παραδοσιακή και γνωστή εδώ και πολύ καιρό - αυτή είναι η εναπόθεση χημικών ατμών με τη συμμετοχή αερίων ενώσεων. Η ουσία του είναι η εξής. Αρχικά, οι ουσίες της αντίδρασης εξαχνώνονται στην αέρια φάση, στη συνέχεια διέρχονται από ένα υπόστρωμα που θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες, πάνω στο οποίο εναποτίθενται τα επιθυμητά στρώματα. Μόλις επιλεγεί ένα αρχικό αντιδραστήριο, όπως το μεθάνιο, μπορεί να αποσυντεθεί με τέτοιο τρόπο ώστε το υδρογόνο να διασπαστεί και ο άνθρακας να παραμείνει στο υπόστρωμα. Αλλά αυτές οι διαδικασίες είναι δύσκολο να ελεγχθούν και είναι δύσκολο να αποκτήσετε ένα ιδανικό στρώμα.

Το γραφένιο είναι μια από τις αλλοτροπικές τροποποιήσεις του άνθρακα

Υπάρχει μια άλλη μέθοδος που τώρα αρχίζει να χρησιμοποιείται ενεργά - η μέθοδος χρήσης παρεμβαλλόμενων ενώσεων. Στον γραφίτη, όπως και σε άλλες στρωματοποιημένες ενώσεις, μόρια διαφόρων ουσιών, που ονομάζονται «ξεναγμένα μόρια», μπορούν να τοποθετηθούν μεταξύ των στρωμάτων. Ο γραφίτης είναι η μήτρα του "ξενιστή", όπου τροφοδοτούμε τους "καλεσμένους". Όταν οι επισκέπτες παρεμβάλλονται στο πλέγμα του οικοδεσπότη, τα στρώματα διαχωρίζονται φυσικά. Αυτό ακριβώς απαιτείται: η διαδικασία παρεμβολής διασπά τον γραφίτη. Οι παρεμβαλλόμενες ενώσεις είναι πολύ καλοί πρόδρομοι για την παραγωγή γραφενίου - απλά πρέπει να αφαιρέσετε τους «επισκέπτες» από εκεί και να αποτρέψετε την κατάρρευση των στρωμάτων ξανά σε γραφίτη. Ένα σημαντικό βήμα σε αυτή την τεχνολογία είναι η διαδικασία λήψης κολλοειδών διασπορών που μπορούν να μετατραπούν σε υλικά γραφενίου. Στο ινστιτούτο μας υποστηρίζουμε ακριβώς αυτή την προσέγγιση. Κατά τη γνώμη μας, αυτή είναι η πιο προηγμένη κατεύθυνση, από την οποία αναμένονται πολύ καλά αποτελέσματα, επειδή τα απομονωμένα στρώματα μπορούν να ληφθούν πιο απλά και αποτελεσματικά από διάφορους τύπους παρεμβαλλόμενων ενώσεων.

Η δομή του γραφενίου είναι παρόμοια με μια κηρήθρα. Και πρόσφατα έχει γίνει ένα πολύ «γλυκό» θέμα

Υπάρχει μια άλλη μέθοδος, η οποία ονομάζεται ολική χημική σύνθεση. Βρίσκεται στο γεγονός ότι οι απαραίτητες «κηρήθρες» συναρμολογούνται από απλά οργανικά μόρια. Η οργανική χημεία έχει μια πολύ ανεπτυγμένη συνθετική συσκευή, η οποία επιτρέπει σε κάποιον να αποκτήσει μια τεράστια ποικιλία μορίων. Ως εκ τούτου, προσπαθούν να αποκτήσουν δομές γραφενίου με χημική σύνθεση. Μέχρι στιγμής, ήταν δυνατή η δημιουργία ενός φύλλου γραφενίου που αποτελείται από περίπου διακόσια άτομα άνθρακα.

Άλλες προσεγγίσεις για τη σύνθεση γραφενίου αναπτύσσονται. Παρά τα πολυάριθμα προβλήματα, η επιστήμη προς αυτή την κατεύθυνση προχωρά με επιτυχία. Υπάρχει μεγάλος βαθμός εμπιστοσύνης ότι τα υπάρχοντα εμπόδια θα ξεπεραστούν και το γραφένιο θα φέρει ένα νέο ορόσημο στην ανάπτυξη υψηλών τεχνολογιών.

Υποψήφια Χημικών Επιστημών Τατιάνα Ζιμίνα.

Το Νόμπελ Φυσικής του 2010 απονεμήθηκε για την έρευνα στο γραφένιο, ένα δισδιάστατο υλικό που παρουσιάζει ασυνήθιστες και ταυτόχρονα πολύ χρήσιμες ιδιότητες. Η ανακάλυψή του υπόσχεται όχι μόνο νέες τεχνολογίες, αλλά και την ανάπτυξη της θεμελιώδης φυσικής, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε νέες γνώσεις για τη δομή της ύλης. Οι φετινοί νικητές του βραβείου Νόμπελ φυσικής είναι οι Andre Geim και Konstantin Novoselov, καθηγητές στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ (Ηνωμένο Βασίλειο), απόφοιτοι του Ινστιτούτου Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας.

Τα άτομα άνθρακα στο γραφένιο σχηματίζουν έναν δισδιάστατο κρύσταλλο με εξαγωνικά κύτταρα.

Βραβευμένος με Νόμπελ Φυσικής 2010 Ο Andre Geim (γεννημένος το 1958) είναι καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ (Ηνωμένο Βασίλειο). Αποφοίτησε από το Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας, υπερασπίστηκε τη διδακτορική του διατριβή στο Ινστιτούτο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης (Chernogolo

Βραβευμένος με Νόμπελ Φυσικής 2010 Ο Konstantin Novoselov (γεννημένος το 1974) είναι καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ (Ηνωμένο Βασίλειο) και απόφοιτος του Ινστιτούτου Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας. Εργάστηκε στο Ινστιτούτο Προβλημάτων Τεχνολογίας Μικροηλεκτρονικής και ειδικότερα

Το γραφένιο είναι μια από τις αλλοτροπικές μορφές άνθρακα. Προέκυψε για πρώτη φορά με σταδιακό ξεφλούδισμα λεπτών στρωμάτων γραφίτη. Το γραφένιο τυλίγεται για να σχηματίσει έναν νανοσωλήνα ή φουλερένιο.

Μία από τις πιθανές εφαρμογές του γραφενίου είναι η δημιουργία στη βάση του μιας νέας τεχνολογίας για την αποκρυπτογράφηση της χημικής δομής (αλληλουχία) του DNA. Επιστήμονες από το Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης Kavli, Ολλανδία, υπό την ηγεσία του καθηγητή Decke

Το γραφένιο, ένα υλικό πάχους μόλις ενός ατόμου, κατασκευάζεται από ένα «πλέγμα» ατόμων άνθρακα που είναι διατεταγμένα, σαν κηρήθρα, σε κελιά εξαγωνικού σχήματος. Αυτή είναι μια άλλη αλλοτροπική μορφή άνθρακα μαζί με γραφίτη, διαμάντι, νανοσωλήνες και φουλερένιο. Το υλικό έχει εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα, καλή θερμική αγωγιμότητα, υψηλή αντοχή και είναι σχεδόν εντελώς διαφανές.

Η ιδέα της παραγωγής γραφενίου «βρίσκεται» στο κρυσταλλικό πλέγμα του γραφίτη, το οποίο είναι μια πολυεπίπεδη δομή που σχηματίζεται από χαλαρά συνδεδεμένα στρώματα ατόμων άνθρακα. Δηλαδή, ο γραφίτης, στην πραγματικότητα, μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα σύνολο στρωμάτων γραφενίου (δισδιάστατοι κρύσταλλοι) που συνδέονται μεταξύ τους.

Ο γραφίτης είναι ένα πολυεπίπεδο υλικό. Αυτή ήταν η ιδιότητα που χρησιμοποίησαν οι νομπελίστες για την παραγωγή γραφενίου, παρά το γεγονός ότι η θεωρία προέβλεψε (και προηγούμενα πειράματα επιβεβαίωσαν) ότι ένα δισδιάστατο υλικό άνθρακα δεν μπορεί να υπάρξει σε θερμοκρασία δωματίου - θα μετατραπεί σε άλλες αλλοτροπικές μορφές άνθρακα, για παράδειγμα , διπλώστε σε νανοσωλήνες ή σφαιρικά φουλερένια.

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον Andre Geim, η οποία περιλάμβανε ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ (Ηνωμένο Βασίλειο) και το Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής Τεχνολογίας και Υλικών Υψηλής Καθαρότητας (Chernogolovka, Ρωσία), έλαβε γραφένιο απλά ξεφλουδίζοντας στρώματα γραφίτη. Για να γίνει αυτό, η συνηθισμένη ταινία κολλήθηκε στον κρύσταλλο γραφίτη και στη συνέχεια αφαιρέθηκε: οι λεπτότερες μεμβράνες παρέμειναν στην ταινία, συμπεριλαμβανομένων των μονοστρωματικών. (Πώς να μην θυμάται κανείς: «Όλα τα έξυπνα είναι απλά»!) Αργότερα, άλλα δισδιάστατα υλικά αποκτήθηκαν χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, συμπεριλαμβανομένου του υπεραγωγού υψηλής θερμοκρασίας Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Τώρα αυτή η μέθοδος ονομάζεται «μικρομηχανική απολέπιση», σας επιτρέπει να λαμβάνετε δείγματα γραφενίου υψηλότερης ποιότητας με μέγεθος έως 100 μικρά.

Μια άλλη εξαιρετική ιδέα των μελλοντικών βραβευθέντων με Νόμπελ ήταν η εναπόθεση γραφενίου σε ένα υπόστρωμα οξειδίου του πυριτίου (SiO 2). Χάρη σε αυτή τη διαδικασία, το γραφένιο κατέστη δυνατό να παρατηρηθεί κάτω από ένα μικροσκόπιο (από την οπτική έως την ατομική δύναμη) και να μελετηθεί.

Τα πρώτα πειράματα με το νέο υλικό έδειξαν ότι στα χέρια των επιστημόνων δεν βρίσκεται απλώς μια άλλη μορφή άνθρακα, αλλά μια νέα κατηγορία υλικών με ιδιότητες που δεν μπορούν πάντα να περιγραφούν από τη σκοπιά της κλασικής θεωρίας της φυσικής στερεάς κατάστασης.

Το προκύπτον δισδιάστατο υλικό, ως ημιαγωγός, έχει αγωγιμότητα όπως ένας από τους καλύτερους μεταλλικούς αγωγούς - ο χαλκός. Τα ηλεκτρόνια του έχουν πολύ υψηλή κινητικότητα, γεγονός που οφείλεται στις ιδιαιτερότητες της κρυσταλλικής δομής του. Προφανώς, αυτή η ποιότητα του γραφενίου, σε συνδυασμό με το πάχος του νανομέτρου, το καθιστά υποψήφιο υλικό που θα μπορούσε να αντικαταστήσει το πυρίτιο στα ηλεκτρονικά είδη, συμπεριλαμβανομένων των μελλοντικών υπολογιστών υψηλής ταχύτητας. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι μια νέα κατηγορία νανοηλεκτρονικών γραφενίου με πάχος τρανζίστορ βάσης όχι μεγαλύτερο από 10 nm (ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου έχει ήδη ληφθεί στο γραφένιο) είναι προ των πυλών.

Οι φυσικοί εργάζονται τώρα για να αυξήσουν περαιτέρω την κινητικότητα των ηλεκτρονίων στο γραφένιο. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι ο περιορισμός της κινητικότητας των φορέων φορτίου σε αυτό (και επομένως η αγωγιμότητα) σχετίζεται με την παρουσία φορτισμένων ακαθαρσιών στο υπόστρωμα SiO 2. Εάν μάθουμε να λαμβάνουμε «ελεύθερα κρέμονται» φιλμ γραφενίου, τότε η κινητικότητα των ηλεκτρονίων μπορεί να αυξηθεί κατά δύο τάξεις μεγέθους - έως 2 × 10 6 cm 2 /V. Με. Τέτοια πειράματα βρίσκονται ήδη σε εξέλιξη, και μάλιστα με μεγάλη επιτυχία. Είναι αλήθεια ότι ένα ιδανικό δισδιάστατο φιλμ σε ελεύθερη κατάσταση είναι ασταθές, αλλά αν παραμορφωθεί στο χώρο (δηλαδή δεν είναι ιδανικά επίπεδο, αλλά, για παράδειγμα, κυματιστό), τότε διασφαλίζεται η σταθερότητα. Από ένα τέτοιο φιλμ είναι δυνατό να κατασκευαστεί, για παράδειγμα, ένα νανοηλεκτρομηχανικό σύστημα - ένας εξαιρετικά ευαίσθητος αισθητήρας αερίου ικανός να ανταποκρίνεται ακόμη και σε ένα μόνο μόριο που βρίσκεται στην επιφάνειά του.

Άλλες πιθανές εφαρμογές του γραφενίου: σε ηλεκτρόδια υπερπυκνωτών, σε ηλιακές μπαταρίες, για τη δημιουργία διαφόρων σύνθετων υλικών, συμπεριλαμβανομένων εξαιρετικά ελαφρών και υψηλής αντοχής (για αεροπορία, διαστημόπλοια κ.λπ.), με δεδομένη αγωγιμότητα. Το τελευταίο μπορεί να διαφέρει πάρα πολύ. Για παράδειγμα, έχει συντεθεί το υλικό γραφάνιο, το οποίο, σε αντίθεση με το γραφένιο, είναι μονωτής (βλ. «Επιστήμη και Ζωή» Αρ.). Λήφθηκε με την προσθήκη ενός ατόμου υδρογόνου σε κάθε άτομο άνθρακα της πρώτης ύλης. Είναι σημαντικό ότι όλες οι ιδιότητες της πρώτης ύλης - γραφενίου - μπορούν να αποκατασταθούν με απλή θέρμανση (ανόπτηση) του γραφανίου. Ταυτόχρονα, το γραφένιο που προστίθεται στο πλαστικό (ένας μονωτήρας) το μετατρέπει σε αγωγό.

Η σχεδόν πλήρης διαφάνεια του γραφενίου υποδηλώνει τη χρήση του σε οθόνες αφής και αν θυμηθούμε την «υπερ-λεπτότητα» του, τότε οι προοπτικές χρήσης του σε μελλοντικούς ευέλικτους υπολογιστές (που μπορούν να τυλιχτούν σαν εφημερίδα), βραχιόλια ρολογιών και μαλακά τα φωτεινά πάνελ είναι καθαρά.

Όμως οποιαδήποτε εφαρμογή του υλικού απαιτεί τη βιομηχανική του παραγωγή, για την οποία η μέθοδος μικρομηχανικής απολέπισης που χρησιμοποιείται στην εργαστηριακή έρευνα δεν είναι κατάλληλη. Ως εκ τούτου, ένας τεράστιος αριθμός άλλων τρόπων απόκτησής του αναπτύσσεται τώρα στον κόσμο. Έχουν ήδη προταθεί χημικές μέθοδοι για την παραγωγή γραφενίου από μικροκρυστάλλους γραφίτη. Ένα από αυτά, για παράδειγμα, παράγει γραφένιο ενσωματωμένο σε μια πολυμερή μήτρα. Περιγράφεται επίσης η εναπόθεση ατμών και η ανάπτυξη σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία σε υποστρώματα καρβιδίου του πυριτίου. Στην τελευταία περίπτωση, που είναι πιο κατάλληλη για βιομηχανική παραγωγή, σχηματίζεται ένα φιλμ με τις ιδιότητες του γραφενίου κατά τη θερμική αποσύνθεση του επιφανειακού στρώματος του υποστρώματος.

Η αξία του νέου υλικού για την ανάπτυξη της φυσικής έρευνας είναι φανταστικά μεγάλη. Όπως επισημαίνουν ο Sergei Morozov (Institute for Problems of Microelectronics Technology and Highly Pure Materials of the Russian Academy of Sciences), οι Andre Geim και Konstantin Novoselov στο άρθρο τους που δημοσιεύτηκε το 2008 στο περιοδικό Uspekhi Fizicheskikh Nauk, «στην πραγματικότητα, το γραφένιο ανοίγει ένα νέο επιστημονικό παράδειγμα - «σχετικιστική» φυσική στερεά κατάσταση, στην οποία τα κβαντικά σχετικιστικά φαινόμενα (μερικά από τα οποία δεν πραγματοποιούνται ακόμη και στη φυσική υψηλής ενέργειας) μπορούν τώρα να μελετηθούν υπό συνήθεις εργαστηριακές συνθήκες... Για πρώτη φορά σε στερεή κατάσταση πείραμα, είναι δυνατό να εξερευνήσουμε όλες τις αποχρώσεις και την ποικιλομορφία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής». Δηλαδή, μιλάμε για το γεγονός ότι πολλά φαινόμενα, η μελέτη των οποίων απαιτούσε την κατασκευή τεράστιων επιταχυντών σωματιδίων, μπορούν πλέον να μελετηθούν, οπλισμένα με ένα πολύ πιο απλό όργανο - το λεπτότερο υλικό στον κόσμο.

Σχολιασμός ειδικών

Σκεφτήκαμε ένα τρανζίστορ εφέ πεδίου...

Οι συντάκτες ζήτησαν από τον συνάδελφό τους και συν-συγγραφέα να σχολιάσει τα αποτελέσματα της δουλειάς των βραβευθέντων με Νόμπελ Andre Geim και Konstantin Novoselov. Ο επικεφαλής του εργαστηρίου του Ινστιτούτου Προβλημάτων Τεχνολογίας Μικροηλεκτρονικής και Υλικών Υψηλής Καθαρότητας της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών (Chernogolovka) Sergei Morozov απαντά σε ερωτήσεις της ανταποκρίτριας "Science and Life" Tatyana Zimina.

Πώς προέκυψε η ιδέα να αποκτήσετε ένα δισδιάστατο υλικό άνθρακα; Σε σχέση με τι; Περιμένατε κάποιες ασυνήθιστες ιδιότητες από αυτή τη μορφή άνθρακα;

Αρχικά, στόχος μας δεν ήταν να φτιάξουμε ένα δισδιάστατο υλικό από ημιμέταλλο, προσπαθούσαμε να φτιάξουμε ένα τρανζίστορ πεδίου. Τα μέταλλα, ακόμη και ένα άτομο πάχους, δεν είναι κατάλληλα για αυτό - έχουν πάρα πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αρχικά, αποκτήσαμε έναν μετρήσιμο αριθμό ατομικών επιπέδων από έναν κρύσταλλο γραφίτη, μετά αρχίσαμε να φτιάχνουμε όλο και πιο λεπτές πλάκες μέχρι να έχουμε ένα μονοατομικό στρώμα, δηλαδή γραφένιο.

Το γραφένιο θεωρείται από τους θεωρητικούς εδώ και πολύ καιρό, από τα μέσα του εικοστού αιώνα. Εισήγαγαν επίσης το ίδιο το όνομα του δισδιάστατου υλικού άνθρακα. Ήταν το γραφένιο που έγινε το σημείο εκκίνησης για τους θεωρητικούς (πολύ πριν από την πειραματική παραγωγή του) να υπολογίσουν τις ιδιότητες άλλων μορφών άνθρακα - γραφίτη, νανοσωλήνες, φουλερένια. Είναι επίσης το πιο καλά περιγραφόμενο θεωρητικά. Φυσικά, ορισμένες επιδράσεις που ανακαλύφθηκαν τώρα πειραματικά απλά δεν εξετάστηκαν από τους θεωρητικούς. Τα ηλεκτρόνια στο γραφένιο συμπεριφέρονται σαν σχετικιστικά σωματίδια. Κανείς όμως δεν είχε σκεφτεί ποτέ να μελετήσει πώς θα έμοιαζε το φαινόμενο Hall στην περίπτωση των σχετικιστικών σωματιδίων. Ανακαλύψαμε έναν νέο τύπο κβαντικού φαινομένου Hall, το οποίο ήταν μια από τις πρώτες σαφείς επιβεβαιώσεις της μοναδικότητας του ηλεκτρονικού υποσυστήματος στο γραφένιο. Το ίδιο μπορεί να ειπωθεί για το παράδοξο Klein που είναι εγγενές στο γραφένιο, γνωστό από τη φυσική υψηλής ενέργειας. Στους παραδοσιακούς ημιαγωγούς ή μέταλλα, τα ηλεκτρόνια μπορούν να διέλθουν σε σήραγγα μέσω φραγμών δυναμικού, αλλά με πιθανότητα σημαντικά μικρότερη από μία. Στο γραφένιο, τα ηλεκτρόνια (όπως τα σχετικιστικά σωματίδια) διεισδύουν ακόμη και μέσα από φραγμούς απείρως υψηλού δυναμικού χωρίς ανάκλαση.

Γιατί θεωρήθηκε ότι ένα δισδιάστατο υλικό άνθρακα (γραφένιο) θα ήταν ασταθές σε θερμοκρασία δωματίου; Και πώς τα κατάφερες τότε;

Οι πρώτες εργασίες θεωρητικών που έδειξαν την αστάθεια των δισδιάστατων υλικών αναφέρονταν σε ένα άπειρο ιδανικό δισδιάστατο σύστημα. Αργότερα η εργασία έδειξε ότι σε ένα δισδιάστατο σύστημα, η τάξη μεγάλης εμβέλειας (η οποία είναι εγγενής στα κρυσταλλικά σώματα - Εκδ.) μπορεί ακόμα να υπάρχει σε μια πεπερασμένη θερμοκρασία (η θερμοκρασία δωματίου για έναν κρύσταλλο είναι μια αρκετά χαμηλή θερμοκρασία). Το πραγματικό γραφένιο σε αναρτημένη κατάσταση δεν είναι προφανώς τελείως επίπεδο, είναι ελαφρώς κυματιστό - το ύψος των ανυψώσεων σε αυτό είναι της τάξης ενός νανομέτρου. Αυτά τα «κύματα» δεν είναι ορατά σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, αλλά υπάρχουν και άλλες επιβεβαιώσεις τους.

Το γραφένιο είναι ημιαγωγός, αν κατάλαβα καλά. Όμως που και που βρίσκω τον ορισμό - ημιμεταλλικό. Σε ποια κατηγορία υλικών ανήκει;

Οι ημιαγωγοί έχουν ένα διάκενο ζώνης συγκεκριμένου πλάτους. Για το γραφένιο είναι μηδέν. Έτσι μπορεί να ονομαστεί ημιαγωγός μηδενικού διακένου ζώνης ή ημιμέταλλο μηδενικής επικάλυψης. Καταλαμβάνει δηλαδή μια ενδιάμεση θέση μεταξύ ημιαγωγών και ημιμετάλλων.

Που και που στη λαϊκή βιβλιογραφία γίνεται αναφορά και σε άλλα δισδιάστατα υλικά. Έχει προσπαθήσει η ομάδα σας να αποκτήσει κάποιο από αυτά;

Κυριολεκτικά ένα χρόνο μετά τη λήψη του γραφενίου, αποκτήσαμε δισδιάστατα υλικά από άλλους κρυστάλλους με στρώματα. Αυτά είναι, για παράδειγμα, το νιτρίδιο του βορίου, ορισμένα διχαλκογονίδια και ο υπεραγωγός υψηλής θερμοκρασίας Bi-Sr-Ca-Cu-O. Δεν αναπαρήγαγαν τις ιδιότητες του γραφενίου - μερικά από αυτά ήταν γενικά μονωτικά, άλλα είχαν πολύ χαμηλή αγωγιμότητα. Πολλές ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο μελετούν δισδιάστατα υλικά. Επί του παρόντος χρησιμοποιούμε το νιτρίδιο του βορίου ως υπόστρωμα για δομές γραφενίου. Αποδείχθηκε ότι αυτό βελτιώνει ριζικά τις ιδιότητες του γραφενίου. Επίσης, αν μιλάμε για τη χρήση γραφενίου για τη δημιουργία σύνθετων υλικών, το νιτρίδιο του βορίου είναι ένας από τους κύριους ανταγωνιστές του.

- Ποιες υπάρχουσες μέθοδοι για την παραγωγή γραφενίου είναι οι πιο ελπιδοφόρες;

Κατά τη γνώμη μου, υπάρχουν τώρα δύο τέτοιες κύριες μέθοδοι. Το πρώτο είναι η ανάπτυξη μεμβρανών ορισμένων μετάλλων σπάνιων γαιών, καθώς και χαλκού και νικελίου, στην επιφάνεια. Στη συνέχεια, το γραφένιο πρέπει να μεταφερθεί σε άλλα υποστρώματα και έχουν ήδη μάθει πώς να το κάνουν αυτό. Αυτή η τεχνολογία εισέρχεται στο στάδιο της εμπορικής ανάπτυξης.

Μια άλλη μέθοδος είναι η ανάπτυξη σε καρβίδιο του πυριτίου. Αλλά θα ήταν ωραίο να μάθουμε πώς να καλλιεργούμε γραφένιο σε πυρίτιο, πάνω στο οποίο είναι χτισμένα όλα τα σύγχρονα ηλεκτρονικά. Στη συνέχεια, η ανάπτυξη συσκευών γραφενίου θα προχωρούσε με άλματα, καθώς τα ηλεκτρονικά γραφενίου θα επέκτειναν φυσικά τη λειτουργικότητα της παραδοσιακής μικροηλεκτρονικής.