Nobelova nagrada za otkriće agrafena. Kako su "fizičari smeće" iz Rusije dobili Nobelovu nagradu

U Stockholmu su objavljena imena dobitnika Nobelove nagrade za fiziku za 2010. godinu. Bili su to profesor Andrej Geim i profesor Konstantin Novoselov. Oba laureata, koji rade na britanskom Sveučilištu u Manchesteru, dolaze iz Rusije. 52-godišnji Andrey Geim državljanin je Nizozemske, a 36-godišnji Konstantin Novoselov ima rusko i britansko državljanstvo.

Najprestižnija svjetska znanstvena nagrada, vrijedna oko 1,5 milijuna dolara, ove je godine dodijeljena znanstvenicima za otkriće grafena, ultratankog i iznimno izdržljivog materijala, a to je karbonski film debljine jednog atoma.

Znanstveni urednik časopisa Around the World, Alexander Sergeev, za Radio Sloboda govori o poteškoćama koje su se pojavile u otkriću grafena i kakva je praktična primjena ovog materijala:

Sama činjenica da su znanstvenici dobili grafen je izvanredna. Teoretski, grafen je predviđen pola stoljeća prije njegove sinteze. U školi su svi proučavali strukturu grafita - ovo je obična olovka. Atom ugljika tvori tanke slojeve koji se više puta naslanjaju jedan na drugi. Svaki se sloj sastoji od šesterokutnih stanica koje se međusobno spajaju poput saća.

Problem je bio odvojiti jedan sloj od onih iznad i ispod. Za jedan sloj ovog dvodimenzionalnog kristala, nazvanog tako jer nema treću dimenziju, predviđena je hrpa različitih zanimljivih fizičkih svojstava. Provedeni su mnogi eksperimenti. Ali nije bilo moguće odvojiti jedan sloj od svih ostalih sa stabilnim rezultatom.

Andrey Geim i Konstantin Novoselov osmislili su način na koji su mogli odabrati ovaj sloj i kasnije se uvjeriti da je on doista jedan. Znanstvenici su tada mogli izmjeriti njegova fizikalna svojstva i potvrditi jesu li teorijska predviđanja manje-više točna. Ovaj eksperiment je vrlo jednostavan: znanstvenici su uzeli običnu olovku, komadić grafita. Ljepljivom trakom skinuli su s njega sloj grafita, a zatim ga počeli skidati. Kada su ostala 1-2 sloja, grafit je prebačen na silikonsku podlogu.

Zašto su svi prethodni eksperimenti propali? Zato što je (a to je teoretski predviđeno) grafenski film, dvodimenzionalni kristal ugljika, nestabilan na torziju. Čim bude u slobodnom stanju, odmah će se početi gužvati. Čak je postojalo mišljenje da je nemoguće izolirati grafen. Rad znanstvenika obavljen je 2004. godine, a 2009. već je dobiven komad grafena. Odnosno, list grafena veličine gotovo centimetar. A sada govorimo o desecima centimetara.

- Zašto je uopće potreban ovaj grafen?

Sva elektronika sada ide u smjeru smanjenja veličine elemenata – tranzistora, elektroda itd. Što su manji elementi unutar procesora, to se više elemenata može staviti u njega i moćniji procesor sastaviti. Posljedično, izvodit će složenije logičke operacije. Što bi moglo biti tanje od jednog atomskog sloja? Grafen ima svojstvo tankosti.

Osim toga, provodi struju. I – gotovo prozirna. U isto vrijeme, prilično je jak: jedan je od najjačih materijala po atomskom sloju. Praktički ne dopušta da kroz njega prođu nikakve druge tvari. Ni plinoviti helij ne može prodrijeti kroz grafen, tako da je on potpuno pouzdan premaz. Može se koristiti, primjerice, u ekranima osjetljivim na dodir jer prozirna elektroda neće zakloniti sliku. Možete ga pokušati koristiti u elektronici. Sada pokušavaju razviti tranzistore temeljene na grafenima. Istina, tu ima poteškoća. Grafen ima neobična svojstva koja donekle otežavaju njegovu upotrebu u tranzistorima. Ali nakon što smo naučili kako dobiti atomske slojeve, to su vjerojatno već premostive prepreke. Ovo je temeljno novi materijal. Nikad prije nije bilo ništa slično. Najtanji jednoslojni vodič koji se može koristiti u tehnici i elektronici.

Novi nobelovci imaju prilično složenu biografiju. Jedan od njih je državljanin Nizozemske, drugi ima dvije putovnice: britansku i rusku. Radili su, koliko znamo, u istraživačkom centru u Manchesteru u Engleskoj. Postaje li znanost internacionalna ili je tužna sudbina ruskih znanstvenika da do velikih otkrića dolaze samo ako putuju u inozemstvo?

Da biste se bavili ozbiljnim znanstvenim radom, ne trebate samo materijalnu i tehničku bazu, već i jednostavno duševni mir. Znanstvenika ne bi smjela zbuniti nikakva pitanja. Andrey Geim dobio je Ig Nobelovu nagradu prije 10 godina za svoje eksperimente magnetske levitacije žaba. Ig Nobelova nagrada je komična antinagrada za besmislen rad. Znanstveniku je potrebna određena sloboda u njegovom djelovanju. Tada se rađaju ideje. Danas sam levitirao žabe, a sutra dobivam grafene.

Ako osoba ima takve uvjete, onda radi učinkovitije. Uostalom, oba sadašnja nobelovca iz fizike studirala su na MIPT-u (Moskovski institut za fiziku i tehnologiju – RS). I vrlo brzo su otišli u Nizozemsku, u Veliku Britaniju, jer je tamo radna atmosfera povoljnija za pronalaženje znanstvenih sredstava potrebnih za istraživanje. Trakom su otkinuli ugljične filmove, ali morali su ih izmjeriti mikroskopom atomske sile. Dakle, morao je postojati ovaj mikroskop. U Rusiji, naravno, postoje, ali su puno teže dostupni.

Ako kažem da Rusija ima dobro osnovno obrazovanje, koje joj omogućuje stvaranje dobitnika Nobelove nagrade, ali u isto vrijeme nema ozbiljne znanstvene visokotehnološke baze za eksperimente, hoće li to biti istina?

Kao i kod svake generalizacije, i ovdje postoji određena napetost. Naše obrazovanje više nije tako dobro i glatko, jer se na mnogim mjestima uništavaju znanstvene škole. Velika pauza u radu 90-ih učinila je svoje. Postoji nekoliko škola u Rusiji u kojima još uvijek sve ide vrlo dobro, ali postoje problemi s opremom i provođenjem ozbiljnih, skupih istraživanja. Ta oprema negdje završi: s vremena na vrijeme dosta se ozbiljno kupuju, na primjer, Institutu Kurčatov. Ali koliko se učinkovito koristi tamo, veliko je pitanje. Dakle, u nekim mjestima postoji jaka znanstvena škola, au drugim - sredstva za tehnologiju. Prilično ih je teško međusobno razmjenjivati ​​zbog prestiža i birokracije. U Rusiji su također moguća istraživanja visoke klase, ali ih je mnogo teže provoditi - ovdje je teže radno okruženje.

Znanstveno istraživanje je višestruko. Ali postoje li određena područja koja Nobelov odbor definira kao proboj? Za što je lakše dobiti Nobelovu nagradu? Ili takvih uputa nema?

Pogledao sam popis dobitnika Nobelove nagrade za fiziku u posljednjih 20 godina. Ne postoji jasan trend. Vjerojatno ima dosta nagrada u području fizike elementarnih čestica i fundamentalnih fizičkih interakcija. To je razumljivo - tamo rade prilično zanimljiv posao. Ali ovdje moramo uzeti u obzir važnu točku. Često se kaže da za dobivanje Nobelove nagrade nije dovoljno učiniti revolucionarno djelo. Još uvijek moramo živjeti do vremena kada će ona biti cijenjena. Stoga se Nobelova nagrada obično dodjeljuje osobama u visokoj životnoj dobi. S te točke gledišta, ovogodišnja Nobelova nagrada za fiziku iznimka je od pravila. Novoselov sada ima 36 godina. U proteklih 20 godina nije bilo takvog slučaja među nagradama iz fizike, a po mom mišljenju uopće se nije dogodio! Tijekom proteklih 8 godina nijedan znanstvenik mlađi od 50 godina nije dobio Nobelovu nagradu, a mnogi su je primili u svojim 70-ima ili čak 80-ima za rad obavljen prije desetljeća.

Sadašnja Nobelova nagrada dodijeljena je protivno pravilima. Možda je Nobelov odbor smatrao da nagrada postaje gerontološka i da treba sniziti dob za njezino dobivanje. Posljednji put nagrada za fiziku u “mladoj” dobi bila je 2001. godine. Laureati su bili stari između 40 i 50 godina.

Sada je, očito, fokus stavljen na stvarni eksperimentalni rad. Dakle, iako Nobelova nagrada ne uključuje astronomiju, u posljednjih 10 godina dodijeljene su dvije vrlo važne nagrade iz astrofizike. Nagrade su bile u fizici visokih energija i fizici elementarnih čestica, u fizici čvrstog stanja, u fizici kondenzirane tvari – odnosno krutog, tekućeg i ostalih stanja u kojima su atomi blizu jedni drugima. Gotovo svi ovi radovi su na ovaj ili onaj način povezani s kvantnom fizikom.

- Zašto baš kvantna teorija? Je li to povezano s nekim osobnim preferencijama članova Nobelovog odbora? Ili je ovo doista bliska znanstvena budućnost?

Razlog je vrlo jednostavan. Zapravo, sva današnja fizika, osim teorije gravitacije, je kvantna. Gotovo sve novo što se radi na području fizike, s iznimkom nekih popratnih pravaca, poboljšanja i prodora koji su bili u prošlosti, temelji se na kvantnoj fizici. Samo gravitacija još nije podlegla ovoj "kvantizaciji". A sve ostalo što se tiče temelja fizike je kvantna teorija i kvantna teorija materije.

Tko je on? Novoselov Konstantin Sergejevič!

Biografija

Slavni znanstvenik rođen je u gradu Nižnji Tagil, regija Sverdlovsk, 23. kolovoza 1974. u obitelji inženjera i profesorice engleskog jezika u školi br. 39, čiji je osnivač i direktor nekoć bio njegov djed Viktor Konstantinovič Novoselov.

Dok je bio u šestom razredu, Konstantin otkriva izvanredne sposobnosti i zauzima prvo mjesto na regionalnoj olimpijadi iz fizike, a malo kasnije, na All-Union olimpijadi, ponavlja svoj uspjeh, ušavši među deset najboljih. Godine 1991. diplomirao je na dodatnoj dopisnoj školi za fiziku i tehnologiju i iste godine postao student Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju. Studira specijalnost “nanotehnologija” na Fakultetu fizičke i kvantne elektronike, te diplomira s pohvalama na institutu, nakon čega se zapošljava na Institutu za probleme tehnologije mikroelektronike Ruske akademije znanosti (Institut za probleme mikroelektronike Tehnologija Ruske akademije znanosti) u Černogolovki. Ondje je završio diplomski studij pod vodstvom Jurija Dubrovskog.

U inozemstvu

Godine 1999. Konstantin Sergejevič Novoselov, fizičar s već uspostavljenom reputacijom, preselio se u Nizozemsku. Tamo, na Sveučilištu u Nijmegenu, radi zajedno s Andreijem Geimom. Od 2001. znanstvenici surađuju na Sveučilištu u Manchesteru. Godine 2004. stekao je titulu doktora filozofije (mentor Jan-Kees Maan).

Trenutno je Konstantin Sergejevič Novoselov profesor na Kraljevskom društvu i profesor fizičkih i matematičkih znanosti na Sveučilištu u Manchesteru i ima dvojno državljanstvo (Rusije i Velike Britanije). Trenutno živi u Manchesteru.

Istraživanje

Po čemu je poznat Konstantin Sergejevič Novoselov? Prema analitičkoj agenciji Thomson Reuters, rusko-britanski fizičar jedan je od najčešće citiranih znanstvenika. Iz njegovog je pera izašlo 190 znanstvenih članaka. Ipak, njegovo najznačajnije istraživanje je, naravno, grafen. Mnogi su čuli ovu riječ, koja se čini jednostavnom i poznatom. Tehnologija je doista lakonska i elegantna, poput svega genijalnog. Daljnje proučavanje moglo bi dovesti čovječanstvo u eru ultrabrzih i ultratankih mobilnih i računalnih uređaja, električnih automobila i izdržljivih, ali vrlo laganih struktura.

Nagrade

Kada je Konstantin Sergejevič Novoselov počeo raditi na Sveučilištu u Manchesteru, njegov stariji kolega iz Rusije postao mu je supervizor.Do tada se već dugo bavio istraživanjem u ovom području i uspio reproducirati mehanizam prianjanja šapa gekona, i na temelju njega stvorio ljepljivu traku koju su fizičari kasnije koristili u radu s grafenom. Prije toga, Geimu je pomogao određeni kineski student, ali, prema riječima samog fizičara, rad je počeo napredovati tek nakon što je Konstantin Sergejevič Novoselov krenuo s poslom. Nobelova nagrada dodijeljena im je u listopadu 2010. godine. Novoselov je danas poznat kao najmlađi dobitnik Nobelove nagrade za fiziku (u posljednjih 37 godina), štoviše, trenutačno je jedini znanstvenik među dobitnicima Nobelove nagrade rođen nakon 1970. godine.

Iste 2010. godine Novoselov je dobio titulu zapovjednika Reda nizozemskog lava za značajan doprinos znanosti u Nizozemskoj, a nešto kasnije, 2011. godine, dekretom kraljice Elizabete II proglašen je vitezom neženja, već za njegov doprinos znanosti u Velikoj Britaniji. Ceremonija proglašenja vitezom održana je nešto kasnije, u proljeće 2012., kako se i očekivalo, u Buckinghamskoj palači. Predvodila ga je kraljičina kći, princeza Anne.

Mora se reći da je Konstantin Sergejevič Novoselov, čije su znanstvene i društvene aktivnosti vrlo opsežne, dobio još jednu prestižnu nagradu za istraživanje grafena, postavši laureat nagrade Europhysics 2008. Dodjeljuje se svake dvije godine, a među dobitnicima bilo je samo trinaest nobelovaca. Nagrada se sastoji od novčane nagrade i pripadajućeg certifikata. Dobio je i nagradu Kurti, ali ne za grafen, već za popis postignuća u radu s niskim temperaturama i magnetskim poljima.

O obitelji i životu

Konstantin Novoselov je u sretnom braku sa svojom suprugom Irinom. Iako je i ona Ruskinja, znanstvenice su se upoznale u inozemstvu, u Nizozemskoj. Irina, podrijetlom iz Vologde, bavi se istraživanjima u području mikrobiologije (obranila je disertaciju u St. Petersburgu). Par ima dvije kćeri, blizanke Sofiju i Viku, rođene 2009. godine.

Konstantin Sergejevič, prema vlastitim riječima, nije otac koji tjednima sjedi u laboratoriju, propuštajući djetinjstvo vlastite djece. Za njega je izum najmanjeg tranzistora na svijetu i učenje kćeri brojati do dvadeset sedam nešto što mu je ravnopravno. "Nitko to nikada prije nije učinio", kaže.

Zauzvrat, njegovi roditelji nikada nisu pokušali ograničiti interese svog sina. Oduvijek su bili uvjereni da je njihov sin vrlo darovit, a kako sam fizičar kaže, nisu bili iznenađeni kada je dobio Nobelovu nagradu.

U intervjuu za časopis Esquire priznao je da sanja naučiti svirati klavir. Studira, no prema vlastitom priznanju rezultati su još uvijek osrednji.

O SSSR-u

Konstantin Sergejevič rođen je u SSSR-u i stekao je izvrsno obrazovanje. I sam priznaje da se tako duboko znanje malo gdje može dobiti. Ali ne planira se vratiti u Rusiju. Možda mu baš zbog toga neki novinari nehotice predbacuju manjak domoljublja. Znanstvenik na to odgovara da se ne radi o novcu, već da je u Britaniji mirnije raditi, jer se nitko ne miješa u vaše poslove.

Novoselov olako shvaća život i ne razmišlja o neuspjesima - jedno je od njegovih osnovnih pravila. Ako se pojave poteškoće u odnosima s ljudima, nastoji ne dovesti do prekida, ali, ako je to neizbježno, posljednju riječ prepušta drugoj osobi. Slavni fizičar ima mnoge uobičajene probleme u životu, primjerice, bio bi spreman potrošiti bilo koji novac samo da dobije malo slobodnog vremena.

Ali on ne dijeli svoj život na rad i odmor; možda je to ključ produktivnosti znanstvenika. Kod kuće razmišlja o fizici, a na poslu jednostavno odmara dušu.

Što je grafen

Unatoč, naravno, svim dostignućima u području fizike, Novoselovljev glavni rad bio je i ostao grafen. Ova struktura, koju su naši sunarodnjaci prvi dobili u laboratorijskim uvjetima, dvodimenzionalna je "mreža" ugljikovih atoma debljine samo jednog atoma. Sam Novoselov tvrdi da tehnologija nije komplicirana i svatko može stvoriti grafen, gotovo iz improviziranih sredstava. Kaže da sve što trebate učiniti je kupiti dobar grafit, iako možete koristiti čak i olovke, i potrošiti malo na silikonske pločice i traku. To je to, komplet za stvaranje grafena je spreman! Dakle, materijal neće postati vlasništvo isključivo velikih korporacija, Novoselov i Game su ga doslovno poklonili cijelom svijetu.

Nevjerojatna svojstva

Fizičar je također iznenađen elektroničkim svojstvima ovog materijala. Prema njegovim riječima, grafen se može koristiti u tranzistorima, što neke tvrtke već pokušavaju učiniti, zamjenjujući konvencionalne dijelove u mobilnim uređajima.

Prema Novoselovu, grafen će revolucionirati tehnologiju. Sastavni dio svakog znanstvenofantastičnog filma su nevjerojatni gadgeti, prozirni, tanki, neslomljivi i izvrsne funkcionalnosti. Ako grafen postupno zamijeni zastarjeli silicij, tehnologije iz filma će se pojaviti u životu.

Što je još izvanredno u istraživanju Novoselova i Geima? Činjenica da su gotovo trenutno migrirali s laboratorija na proizvodne trake, pa i više od toga, pokazala se vrlo korisnom već u prvim godinama.

Tehnologije budućnosti

Gdje se sada koristi grafen? Čini se da takav nedavno otkriveni materijal još nije mogao biti široko distribuiran, i to je donekle točno. Gotovo svi razvoji još uvijek su eksperimentalne prirode i nisu pušteni u masovnu proizvodnju. Međutim, ovaj materijal sada pokušavaju koristiti doslovno u svim područjima, što se možda može nazvati pravom "grafenskom groznicom".

Sam grafen, unatoč maloj težini i gotovo potpunoj prozirnosti (upija 2% propuštene svjetlosti, potpuno isto kao i obično prozorsko staklo), materijal je vrlo izdržljiv. Nedavna istraživanja američkih znanstvenika pokazala su da se grafen dobro miješa s plastikom. To rezultira super-čvrstim materijalom koji se može koristiti u svemu, od namještaja i mobilnih telefona do raketne znanosti.

Od grafena su već napravljeni prototipovi baterija za električne automobile. Karakterizira ih veliki kapacitet i kratko vrijeme punjenja. Možda će se tako riješiti problem električnih automobila, a prijevoz postati jeftin i ekološki prihvatljiv.

Grafen se koristi u razvoju novih dodirnih ploča za telefone. Ako klasični senzori mogu raditi samo na ravnoj površini, onda grafen nema tu manu jer se može saviti na bilo koji način. Osim toga, visoka električna vodljivost učinit će odziv minimalnim.

U zrakoplovstvu

Tijela raketa i zrakoplova izrađena od grafena bit će nekoliko puta lakša, što će uvelike smanjiti troškove goriva. Letovi će postati toliko jeftini da će si svatko moći priuštiti putovanje na drugu stranu svijeta. No, osim na putnički, to će, naravno, utjecati i na teretni promet. Opskrba udaljenih kutaka planete postat će puno bolja, što znači da će tamo živjeti i raditi više ljudi.

MOSKVA, 5. listopada - RIA Novosti. Nobelova nagrada za fiziku 2010. postala je praznik za dvije zemlje odjednom, za domovinu laureata - Rusiju, i za njihovu sadašnju domovinu - Britaniju. Švedski akademici dodijelili su najveću znanstvenu nagradu Andreju Geimu i Konstantinu Novoselovu za otkriće dvodimenzionalnog oblika ugljika - grafena, zbog čega ruski znanstvenici žale za odljevom mozgova, a britanski se nadaju očuvanju financiranja znanosti.

"Šteta je što su Geim i Novoselov otkrili u inozemstvu", rekao je za RIA Novosti voditelj Odsjeka za fiziku polimera i kristala na Moskovskom državnom sveučilištu, akademik Ruske akademije znanosti Aleksej Khokhlov.

“Vlada bi trebala učiti iz odluke Nobelovog odbora”, rekao je profesor Martin Rees, predsjednik Kraljevskog društva, komentirajući dodjelu Nobelove nagrade za fiziku. Podsjetio je da bi mnogi znanstvenici, uključujući i strane, koji rade u Britaniji, mogli jednostavno otići u druge zemlje ako se financiranje ograniči.

Britanska vlada će 20. listopada predstaviti planove za velika rezanja državne potrošnje. Očekuje se da će znanost i visoko obrazovanje biti jedno od područja koja će najviše biti pogođena rezovima.

Diplomanti MIPT-a Geim i Novoselov, koji rade u Manchesteru, dobili su nagradu "za inovativne eksperimente u proučavanju dvodimenzionalnog materijala grafena". Međusobno će podijeliti 10 milijuna švedskih kruna (oko milijun eura). Svečana dodjela nagrada održat će se u Stockholmu 10. prosinca, na dan smrti njezina utemeljitelja Alfreda Nobela.

Grafen je postao prvi dvodimenzionalni materijal u povijesti, koji se sastoji od jednog sloja atoma ugljika međusobno povezanih strukturom kemijskih veza, koja po svojoj geometriji podsjeća na strukturu pčelinjeg saća. Dugo se vremena vjerovalo da je takva struktura nemoguća.

"Vjerovalo se da takvi dvodimenzionalni jednoslojni kristali ne mogu postojati. Oni moraju izgubiti stabilnost i pretvoriti se u nešto drugo, jer to je zapravo ravnina bez debljine", bivši šef laureata, ravnatelj Instituta za problematiku tehnologije mikroelektronike i visoko čistih materijala Ruske akademije znanosti (IPTM) rekao je za RIA Novosti Vjačeslav Tulin.

Međutim, “nemogući” materijal, kako se pokazalo, ima jedinstvena fizikalna i kemijska svojstva koja ga čine nezamjenjivim u raznim područjima. Grafen provodi struju jednako dobro kao i bakar; može se koristiti za izradu zaslona osjetljivih na dodir, solarnih ćelija i fleksibilnih elektroničkih uređaja.

"Ovo je buduća revolucija u mikroelektronici. Ako su računala sada gigaherca, onda će biti i teraherca i tako dalje. Tranzistori i svi ostali elementi elektroničkih sklopova bit će stvoreni na temelju grafena", Alexey Fomichev, profesor na MIPT-u odjelu za kvantnu elektroniku, rekao je za RIA Novosti.

Grafen je već pronašao jedno područje primjene: solarne fotonaponske ćelije. "Prije, u proizvodnji solarnih ćelija, indijevi oksidi dopirani kositrom korišteni su kao prozirna elektroda. Ali pokazalo se da je nekoliko slojeva grafena mnogo učinkovitije", rekao je Alexander Vul, voditelj laboratorija za fiziku struktura klastera. na Fizičko-tehničkom institutu Ioffe Ruske akademije znanosti u Sankt Peterburgu.

Prvo iz fizike i tehnike

Andrei Geim i Konstantin Novoselov prvi su diplomanti Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju koji su dobili Nobelovu nagradu: prije toga, osnivači i zaposlenici MIPT-a - Pyotr Kapitsa, Nikolai Semenov, Lev Landau, Igor Tamm, Alexander Prokhorov, Nikolai Basov , Vitalij Ginzburg i Aleksej Abrikosov. Geim je diplomirao na Fakultetu opće i primijenjene fizike (GPPF) 1982., Novoselov na Fakultetu fizičke i kvantne elektronike (FFQE) 1997. godine. Oba diplomanta dobila su diplome s pohvalama.

"Ovo je super vijest. Jako smo zadovoljni odlukom Nobelovog odbora. MIPT je već poslao čestitke novim dobitnicima Nobelove nagrade", rekao je rektor MIPT-a Nikolai Kudryavtsev za RIA Novosti u utorak.

Prema rektorovim riječima, osoblje je "podiglo svoje osobne dosjee iz arhive i uvjerilo se da se radi o izvrsnim studentima". U isto vrijeme, Andrei Geim nije ušao u institut prvi put, nakon što je godinu dana radio u tvornici, ali je "pokazao upornost" i postao student MIPT-a.

"Tijekom cijelog razdoblja studija na FOPF-u, Geim je dobio najviše kritike od nastavnika. A diplomski rad Geima je izuzetno visoko ocijenjen od strane diplomske komisije", rekao je voditelj MIPT-a.

Student 152. grupe Fakulteta fizičke i kvantne elektronike, Konstantin Novoselov, kako je primijetio Kudrjavcev, “neredovito je pohađao nastavu, ali je sve zadatke položio uspješno i na vrijeme”.

"I recenzije nastavnika o Novoselovu su također najviše. To znači da je bio toliko talentiran da, općenito, nije morao pohađati sve nastavu", komentirao je rektor MIPT-a arhivske dokumente.

Od Snobela do Nobela

Gamein kolega, Konstantin Novoselov, postao je najmlađi nobelovac s ruskim državljanstvom: 36-godišnji fizičar šest je godina mlađi od svog sovjetskog kolege Nikolaja Basova, koji je s 42 godine dobio nagradu 1964. za svoj rad na području kvantne elektronike, što je dovelo do stvaranje emitera i pojačala na principu laser-maser.

Najmlađi dobitnik Nobelove nagrade u povijesti bio je Lawrence Bragg, koji je s 25 godina podijelio nagradu za fiziku sa svojim ocem Williamom Henryjem Braggom. Sljedeća četiri mjesta na popisu najmlađih laureata u povijesti također zauzimaju fizičari: Werner Heisenberg, Zongdao Li, Carl Anderson i Paul Dirac dobili su nagradu s 31 godinom.

Konstantin Novoselov ipak će ući u povijest nagrade kao prvi predstavnik generacije rođene sedamdesetih godina prošlog stoljeća. Prema web-stranici nagrade, popis laureata iz prethodnog desetljeća uključuje fizičara Erica Cornella, biologe Carol Greider i Craiga Mella, kao i američkog predsjednika Baracka Obamu koji je dobio Nobelovu nagradu za mir. Osim Novoselova, na popisu laureata nema nikoga mlađeg od 1961. godine.

Od urednika: Dotičući se teme modernizacije ruskog gospodarstva i razvoja visokih tehnologija u našoj zemlji, postavili smo zadatak ne samo skrenuti pozornost čitatelja na nedostatke, već i govoriti o pozitivnim primjerima. Štoviše, takvih ima, i to podosta. Prošlog smo tjedna govorili o razvoju gorivih ćelija u Rusiji, a danas ćemo govoriti o grafenu, za čije je proučavanje svojstava "naši bivši ljudi" nedavno dobili Nobelovu nagradu. Ispostavilo se da u Rusiji, točnije u Novosibirsku, vrlo ozbiljno rade na ovom materijalu.

Silicij, kao osnova mikroelektronike, čvrsto je zauzeo mjesto u visokotehnološkom prostoru, a to se nije dogodilo slučajno. Prvo, siliciju je relativno lako prenijeti željena svojstva. Drugo, to je znanosti odavno poznato i nadaleko proučavano. Treći razlog je taj što su u silicijsku tehnologiju uložene zaista ogromne količine novca, a malo tko će se sada usuditi kladiti na novi materijal. Uostalom, to će zahtijevati ponovnu izgradnju ogromnog industrijskog sektora. Ili bolje rečeno, izgradite ga gotovo od nule.

Međutim, postoje i drugi kandidati za vodstvo kao poluvodički materijal. Na primjer, grafen, koji je postao vrlo moderan nakon što je dodijeljena Nobelova nagrada za proučavanje njegovih svojstava. Doista postoje razlozi za prelazak sa silicija na njega, jer grafen ima niz značajnih prednosti. Ali hoćemo li na kraju dobiti “elektroniku na grafenu” još nije jasno jer uz prednosti postoje i nedostaci.

Kako bismo razgovarali o izgledima grafena u mikroelektronici i njegovim jedinstvenim svojstvima, sastali smo se u Novosibirsku s glavnim istraživačem na Institutu za anorgansku kemiju naz. A.V. Nikolaev SB RAS, doktor kemijskih znanosti, profesor Vladimir Fedorov.

Alla Arshinova: Vladimire Efimoviču, kakav je trenutni položaj silicija u mikroelektronici?

Vladimir Fedorov: Silicij se već dugo koristi u industriji kao glavni poluvodički materijal. Činjenica je da se lako dopira, odnosno da mu se dodaju atomi raznih elemenata koji specifično mijenjaju fizikalna i kemijska svojstva. Ova modifikacija silicija visoke čistoće omogućuje dobivanje n- ili p-tipa poluvodičkih materijala. Dakle, usmjereno dopiranje silicija regulira funkcionalna svojstva materijala koji su važni za mikroelektroniku.

Silicij je uistinu jedinstven materijal i to je razlog zašto je u njega uloženo toliko truda, novca i intelektualnih resursa. Temeljna svojstva silicija toliko su detaljno proučena da postoji rašireno uvjerenje da jednostavno ne postoji zamjena za njega. Međutim, nedavno istraživanje grafena dalo je zeleno svjetlo drugom stajalištu, a to je da bi se novi materijali mogli razviti do te mjere da bi mogli zamijeniti silicij.

Kristalna struktura silicija

Takve se rasprave povremeno javljaju u znanosti, a u pravilu se rješavaju tek nakon ozbiljnih istraživanja. Na primjer, nedavno je bila slična situacija s visokotemperaturnim supravodičima. Godine 1986. Bednorz i Müller otkrili su supravodljivost u barij-lantan-bakrenom oksidu (za to su otkriće dobili Nobelovu nagradu 1987. - godinu dana nakon otkrića!), koja je otkrivena na temperaturama znatno višim od vrijednosti karakterističan za prethodno poznato vrijeme supravodljivih materijala. Štoviše, struktura kupratnih supravodljivih spojeva značajno se razlikuje od niskotemperaturnih supravodljivih spojeva. Zatim je lavina studija srodnih sustava dovela do proizvodnje materijala s temperaturom prijelaza u supravodljivost od 90 K i višom. To je značilo da se umjesto skupog i ćudljivog tekućeg helija kao rashladno sredstvo može koristiti tekući dušik - u plinovitom ga obliku u prirodi ima dosta, a osim toga znatno je jeftiniji od helija.

No, nažalost, ta je euforija ubrzo izblijedjela nakon pomnog istraživanja novih visokotemperaturnih supravodiča. Ovi polikristalni materijali, kao i drugi složeni oksidi, nalik su keramici: krti su i nisu duktilni. Pokazalo se da unutar svakog kristala supravodljivost ima dobre parametre, ali u kompaktnim uzorcima kritične struje su prilično niske, što je zbog slabih kontakata između zrna materijala. Slabi Josephsonovi spojevi između supravodljivih zrnaca ne dopuštaju proizvodnju materijala (na primjer, žice) s visokim supravodljivim karakteristikama.

Solarna baterija na bazi polikristalnog silicija

Ista situacija može se dogoditi s grafenom. Trenutno su za njega pronađena vrlo zanimljiva svojstva, no tek treba obaviti opsežna istraživanja kako bi se definitivno odgovorilo na pitanje mogućnosti proizvodnje ovog materijala u industrijskim razmjerima i njegove uporabe u nanoelektronici.

Alla Arshinova: Molimo objasnite što je grafen i po čemu se razlikuje od grafita?

Vladimir Fedorov: Grafen je monoatomski sloj formiran od ugljikovih atoma, koji kao i grafit ima rešetku u obliku saća. A grafit su, prema tome, slojevi grafena naslagani jedan na drugi. Slojevi grafena u grafitu međusobno su povezani vrlo slabim van der Waalsovim vezama, zbog čega ih je u konačnici moguće otrgnuti jedan od drugoga. Kada pišemo olovkom, ovo je primjer uklanjanja slojeva grafita. Istina, trag olovke koji ostaje na papiru još nije grafen, već grafenska višeslojna struktura.

Sada svako dijete može ozbiljno tvrditi da ne samo prenosi papir, već stvara složenu grafensku višeslojnu strukturu

Ali ako je moguće razdvojiti takvu strukturu na jedan sloj, tada se dobiva pravi grafen. Slične podjele izveli su i ovogodišnji nobelovci za fiziku Geim i Novoselov. Uspjeli su razdvojiti grafit pomoću trake, a nakon proučavanja svojstava ovog “grafitnog sloja” pokazalo se da ima vrlo dobre parametre za korištenje u mikroelektronici. Jedno od izvanrednih svojstava grafena je njegova visoka pokretljivost elektrona. Kažu da će grafen postati neizostavan materijal za računala, telefone i drugu opremu. Zašto? Jer u ovom području postoji tendencija ubrzavanja postupaka obrade informacija. Ti su postupci povezani s brzinom sata. Što je veća radna frekvencija, više operacija se može obraditi po jedinici vremena. Stoga je brzina nositelja naboja vrlo važna. Pokazalo se da se nositelji naboja u grafenu ponašaju kao relativističke čestice s nultom efektivnom masom. Ova svojstva grafena doista daju nadu da će biti moguće stvoriti uređaje koji će moći raditi na frekvencijama teraherca, koje su siliciju nedostupne. Ovo je jedno od najzanimljivijih svojstava materijala.

Dobitnici Nobelove nagrade za fiziku 2010. Andre Geim i Konstantin Novoselov

Od grafena se mogu dobiti fleksibilni i prozirni filmovi, koji je također vrlo zanimljiv za brojne primjene. Još jedan plus je što je to vrlo jednostavan i vrlo lagan materijal, lakši od silicija; Osim toga, u prirodi ima dosta ugljika. Stoga, ako doista pronađu način da koriste ovaj materijal u visokim tehnologijama, onda će, naravno, imati dobre izglede i možda će na kraju zamijeniti silicij.

Ali postoji jedan temeljni problem povezan s termodinamičkom stabilnošću niskodimenzionalnih vodiča. Kao što je poznato, krutine se dijele na različite prostorne sustave; na primjer, 3D (trodimenzionalni) sustav uključuje volumetrijske kristale. Dvodimenzionalni (2D) sustavi predstavljeni su slojevitim kristalima. A lančane strukture pripadaju jednodimenzionalnom (1D) sustavu. Dakle, niskodimenzionalne - 1D lančane i 2D slojevite strukture s metalnim svojstvima nisu stabilne s termodinamičke točke gledišta; kako se temperatura snižava, teže se pretvoriti u sustav koji gubi svoja metalna svojstva. To su takozvani prijelazi metal-dielektrik. Koliko će materijali grafena biti stabilni u nekim uređajima, ostaje za vidjeti. Naravno, grafen je zanimljiv, kako sa stajališta elektrofizičkih svojstava tako i mehaničkih. Vjeruje se da je monolitni sloj grafena vrlo jak.

Alla Arshinova: Jači od dijamanta?

Vladimir Fedorov: Dijamant ima trodimenzionalne veze i mehanički je vrlo jak. Kod grafita su međuatomske veze u ravnini iste, možda čak i jače. Činjenica je da bi se s termodinamičke točke gledišta dijamant trebao pretvoriti u grafit, jer je grafit stabilniji od dijamanta. Ali u kemiji postoje dva važna faktora koji kontroliraju proces transformacije: termodinamička stabilnost faza i kinetika procesa, odnosno brzina transformacije jedne faze u drugu. Dakle, dijamanti stoljećima leže u muzejima diljem svijeta i ne žele se pretvoriti u grafit, iako bi trebali. Možda će se za milijune godina ipak pretvoriti u grafit, iako bi to bila velika šteta. Proces pretvaranja dijamanta u grafit na sobnoj temperaturi odvija se vrlo sporo, ali ako dijamant zagrijete na visoku temperaturu, tada će se kinetička barijera lakše prevladati, a to će se svakako dogoditi.

Grafit u izvornom obliku

Alla Arshinova: Već je dugo poznato da se grafit može razdvojiti na vrlo tanke listiće. Što je onda bilo postignuće nobelovaca iz fizike 2010.?

Vladimir Fedorov: Vjerojatno poznajete takvog lika kao što je Petrik. Nakon što je uručio Nobelovu nagradu Andreju Geimu i Konstantinu Novoselovu, izjavio je da mu je Nobelova nagrada ukradena. Geim je odgovorio da su, doista, takvi materijali poznati već jako dugo, ali su dobili nagradu za proučavanje svojstava grafena, a ne za otkrivanje metode njegove proizvodnje kao takve. Zapravo, njihova je zasluga što su od visokoorijentiranog grafita uspjeli odvojiti vrlo kvalitetne slojeve grafena i detaljno proučiti njihova svojstva. Kvaliteta grafena je vrlo važna, kao i u tehnologiji silicija. Kada su naučili kako dobiti silicij vrlo visokog stupnja čistoće, tek tada je postala moguća elektronika temeljena na njemu. Ista je situacija s grafenom. Geim i Novoselov uzeli su vrlo čisti grafit sa savršenim slojevima, uspjeli odcijepiti jedan sloj i proučavali njegova svojstva. Oni su prvi dokazali da ovaj materijal ima niz jedinstvenih svojstava.

Alla Arshinova: U vezi s dodjelom Nobelove nagrade znanstvenicima ruskih korijena koji rade u inozemstvu, naši sunarodnjaci, daleko od znanosti, pitaju se je li bilo moguće postići iste rezultate ovdje u Rusiji?

Vladimir Fedorov: Vjerojatno je bilo moguće. Samo su otišli u pravo vrijeme. Njihov prvi članak, objavljen u časopisu Nature, napisan je u koautorstvu s nekoliko znanstvenika iz Černogolovke. Navodno su u tom smjeru radili i naši ruski istraživači. Ali nije ga bilo moguće dovršiti na uvjerljiv način. Šteta je. Možda su jedan od razloga i povoljniji uvjeti za rad u stranim znanstvenim laboratorijima. Nedavno sam došao iz Koreje i mogu usporediti radne uvjete koje sam tamo dobio s radom kod kuće. Dakle, ondje nisam bila ničim zaokupljena, ali kod kuće sam bila puna rutinskih obaveza koje su oduzimale puno vremena i neprestano me odvraćale od glavne stvari. Dobio sam sve što mi je potrebno, i to je učinjeno nevjerojatnom brzinom. Na primjer, ako mi treba neki reagens, napišem dopis i sutradan mi ga donesu. Pretpostavljam da i nobelovci imaju vrlo dobre uvjete za rad. Pa, imali su dovoljno upornosti: mnogo su puta pokušali dobiti dobar materijal i na kraju uspjeli. U to su zaista uložili puno vremena i truda, te je u tom smislu nagrada zasluženo dodijeljena.

Alla Arshinova: Koje su točno prednosti grafena u odnosu na silicij?

Vladimir Fedorov: Prvo, već smo rekli da ima veliku pokretljivost nositelja; kako kažu fizičari, nositelji naboja nemaju masu. Masa uvijek usporava kretanje. A u grafenu se elektroni kreću na takav način da se mogu smatrati bezmasenim. Ovo svojstvo je jedinstveno: ako postoje drugi materijali i čestice sa sličnim svojstvima, oni su izuzetno rijetki. To je ono za što se grafen pokazao dobrim i zbog toga je u usporedbi s silicijem.

Drugo, grafen ima visoku toplinsku vodljivost, a to je vrlo važno za elektroničke uređaje. Vrlo je lagan, a grafen je proziran i fleksibilan te se može smotati. Grafen može biti vrlo jeftin ako se razviju optimalne metode za njegovu proizvodnju. Uostalom, "metoda selotejpa" koju su pokazali Game i Novoselov nije industrijska. Ova metoda proizvodi uzorke doista visoke kvalitete, ali u vrlo malim količinama, samo za istraživanje.

A sada kemičari razvijaju druge načine za proizvodnju grafena. Uostalom, trebate nabaviti velike listove da biste pokrenuli proizvodnju grafena. Tim se pitanjima bavimo i mi ovdje na Institutu za anorgansku kemiju. Ako nauče sintetizirati grafen koristeći metode koje bi omogućile proizvodnju visokokvalitetnog materijala na industrijskoj razini, onda postoji nada da će to revolucionirati mikroelektroniku.

Alla Arshinova: Kao što vjerojatno već svi znaju iz medija, višeslojna struktura grafena može se dobiti pomoću olovke i ljepljive trake. Koja je tehnologija za proizvodnju grafena koja se koristi u znanstvenim laboratorijima?

Vladimir Fedorov: Postoji nekoliko metoda. Jedan od njih poznat je već jako dugo, a temelji se na upotrebi grafit oksida. Njegov princip je prilično jednostavan. Grafit se stavlja u otopinu visoko oksidirajućih tvari (na primjer, sumporna, dušična kiselina itd.), A kada se zagrije, počinje komunicirati s oksidirajućim sredstvima. U ovom slučaju, grafit je podijeljen u nekoliko listova ili čak monoatomskih slojeva. No dobiveni monoslojevi nisu grafen, već oksidirani grafen, koji sadrži vezane kisikove, hidroksilne i karboksilne skupine. Sada je glavni zadatak vratiti te slojeve u grafen. Budući da oksidacijom nastaju male čestice, moraju se na neki način zalijepiti kako bi se dobio monolit. Napori kemičara usmjereni su na razumijevanje kako je moguće napraviti grafensku ploču od grafitnog oksida, čija je tehnologija proizvodnje poznata.

Postoji još jedna metoda, također prilično tradicionalna i poznata već duže vrijeme - to je kemijsko taloženje parom uz sudjelovanje plinovitih spojeva. Njegova suština je sljedeća. Reakcijske tvari najprije se sublimiraju u plinsku fazu, zatim se propuštaju kroz podlogu zagrijanu na visoke temperature, na koju se talože željeni slojevi. Nakon što se odabere početni reagens, kao što je metan, on se može razgraditi na takav način da se vodik odvoji, a ugljik ostane na supstratu. Ali te je procese teško kontrolirati i teško je dobiti idealan sloj.

Grafen je jedna od alotropskih modifikacija ugljika

Postoji još jedna metoda koja se sada počinje aktivno koristiti - metoda korištenja interkaliranih spojeva. U grafitu, kao i u drugim slojevitim spojevima, između slojeva se mogu smjestiti molekule raznih tvari, koje se nazivaju "molekule gosti". Grafit je matrica “domaćina”, gdje opskrbljujemo “goste”. Kada gosti uđu u rešetku domaćina, slojevi se prirodno odvajaju. To je upravo ono što je potrebno: proces interkalacije razgrađuje grafit. Interkalirani spojevi su vrlo dobri prethodnici za proizvodnju grafena - samo trebate ukloniti "goste" odatle i spriječiti da se slojevi ponovno uruše u grafit. Važan korak u ovoj tehnologiji je proces dobivanja koloidnih disperzija koje se mogu pretvoriti u grafenske materijale. Na našem institutu podržavamo upravo takav pristup. Po našem mišljenju, ovo je najnapredniji smjer, od kojeg se očekuju vrlo dobri rezultati, jer se izolirani slojevi mogu najjednostavnije i najučinkovitije dobiti iz različitih vrsta interkaliranih spojeva.

Struktura grafena je slična pčelinjem saću. A nedavno je to postala vrlo "slatka" tema

Postoji još jedna metoda, koja se naziva totalna kemijska sinteza. Leži u činjenici da su potrebne "saće" sastavljene od jednostavnih organskih molekula. Organska kemija ima vrlo razvijen sintetski aparat, koji omogućuje dobivanje velikog broja molekula. Stoga grafenske strukture pokušavaju dobiti kemijskom sintezom. Do sada je bilo moguće stvoriti grafensku ploču koja se sastoji od dvjestotinjak atoma ugljika.

Razvijaju se i drugi pristupi sintezi grafena. Unatoč brojnim problemima, znanost u tom smjeru uspješno ide naprijed. Postoji visok stupanj uvjerenja da će postojeće prepreke biti prevladane, a grafen će donijeti novu prekretnicu u razvoju visokih tehnologija.

Kandidat kemijskih znanosti Tatyana Zimina.

Nobelova nagrada za fiziku 2010. godine dodijeljena je za istraživanje grafena, dvodimenzionalnog materijala koji pokazuje neobična, a ujedno vrlo korisna svojstva. Njegovo otkriće obećava ne samo nove tehnologije, već i razvoj fundamentalne fizike, što bi moglo rezultirati novim spoznajama o strukturi materije. Ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade za fiziku su Andre Geim i Konstantin Novoselov, profesori sa Sveučilišta u Manchesteru (UK), diplomanti Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju.

Atomi ugljika u grafenu tvore dvodimenzionalni kristal sa ćelijama heksagonalnog oblika.

Dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 2010. Andre Geim (rođen 1958.) profesor je na Sveučilištu u Manchesteru (UK). Diplomirao na Moskovskom institutu za fiziku i tehnologiju, obranio doktorsku disertaciju na Institutu za fiziku čvrstog stanja (Černogolo

Dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 2010. Konstantin Novoselov (rođen 1974.) profesor je na Sveučilištu u Manchesteru (UK) i diplomirao je na Moskovskom institutu za fiziku i tehnologiju. Radio u Institutu za probleme tehnologije mikroelektronike i posebno

Grafen je jedan od alotropnih oblika ugljika. Prvo je dobiven postupnim ljuštenjem tankih slojeva grafita. Grafen se smota u obliku nanocijevi ili fulerena.

Jedna od mogućih primjena grafena je stvaranje nove tehnologije za dešifriranje kemijske strukture (sekvenciranje) DNK na njegovoj osnovi. Znanstvenici s Instituta za nanoznanost Kavli, Nizozemska, pod vodstvom profesora Deckea

Grafen, materijal debljine samo jednog atoma, izgrađen je od "mreže" ugljikovih atoma raspoređenih, poput saća, u ćelije šesterokutnog oblika. Ovo je još jedan alotropski oblik ugljika uz grafit, dijamant, nanocijevi i fuleren. Materijal ima izvrsnu električnu vodljivost, dobru toplinsku vodljivost, visoku čvrstoću i gotovo je potpuno proziran.

Ideja o proizvodnji grafena "ležala" je u kristalnoj rešetki grafita, koja je slojevita struktura koju čine labavo povezani slojevi ugljikovih atoma. Odnosno, grafit se zapravo može prikazati kao skup slojeva grafena (dvodimenzionalnih kristala) koji su međusobno povezani.

Grafit je slojeviti materijal. Upravo su to svojstvo nobelovci koristili za proizvodnju grafena, unatoč činjenici da je teorija predviđala (i prethodni eksperimenti potvrdili) da dvodimenzionalni ugljični materijal ne može postojati na sobnoj temperaturi - on će se transformirati u druge alotropske oblike ugljika, na primjer , savijati u nanocijevi ili sferne fulerene.

Međunarodni tim znanstvenika predvođen Andreom Geimom, koji je uključivao istraživače sa Sveučilišta u Manchesteru (UK) i Instituta za tehnologiju mikroelektronike i visoko čiste materijale (Černogolovka, Rusija), dobio je grafen jednostavnim skidanjem slojeva grafita. Da biste to učinili, obična traka je zalijepljena na grafitni kristal, a zatim uklonjena: najtanji filmovi ostali su na traci, uključujući jednoslojne. (Kako se ne sjetiti: “Sve genijalno je jednostavno”!) Kasnije su ovom tehnikom dobiveni i drugi dvodimenzionalni materijali, uključujući i visokotemperaturni supravodič Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Sada se ova metoda naziva "mikromehanički piling", omogućuje vam dobivanje najkvalitetnijih uzoraka grafena veličine do 100 mikrona.

Još jedna sjajna ideja budućih nobelovaca bila je nanošenje grafena na podlogu od silicij-oksida (SiO 2). Zahvaljujući ovom postupku grafen je postalo moguće promatrati pod mikroskopom (od optičke do atomske sile) i proučavati.

Prvi eksperimenti s novim materijalom pokazali su da u rukama znanstvenika nije samo još jedan oblik ugljika, već nova klasa materijala sa svojstvima koja se ne mogu uvijek opisati sa stajališta klasične teorije fizike čvrstog stanja.

Dobiveni dvodimenzionalni materijal, budući da je poluvodič, ima vodljivost poput jednog od najboljih metalnih vodiča - bakra. Njegovi elektroni imaju vrlo visoku pokretljivost, što je posljedica osobitosti njegove kristalne strukture. Očito, ova kvaliteta grafena, zajedno s njegovom nanometarskom debljinom, čini ga materijalom kandidatom koji bi mogao zamijeniti silicij u elektronici, uključujući buduća računala velike brzine. Istraživači vjeruju da je nova klasa grafenske nanoelektronike s debljinom osnovnog tranzistora ne većom od 10 nm (tranzistor s efektom polja već je dobiven na grafenu) pred vratima.

Fizičari sada rade na daljnjem povećanju mobilnosti elektrona u grafenu. Izračuni pokazuju da je ograničenje mobilnosti nositelja naboja u njemu (a time i vodljivosti) povezano s prisutnošću nabijenih nečistoća u SiO 2 supstratu. Ako naučimo dobivati ​​"slobodno viseće" grafenske filmove, tada se pokretljivost elektrona može povećati za dva reda veličine - do 2 × 10 6 cm 2 /V. S. Takvi eksperimenti već su u tijeku, i to prilično uspješno. Istina, idealan dvodimenzionalni film u slobodnom stanju je nestabilan, ali ako se deformira u prostoru (dakle, nije idealno ravan, nego je npr. valovit), tada je stabilnost osigurana. Od takvog filma moguće je izraditi, primjerice, nanoelektromehanički sustav - visokoosjetljivi plinski senzor sposoban reagirati čak i na jednu molekulu koja se nalazi na njegovoj površini.

Druge moguće primjene grafena: u elektrodama superkondenzatora, u solarnim baterijama, za stvaranje raznih kompozitnih materijala, uključujući ultra lagane i visoke čvrstoće (za zrakoplovstvo, svemirske letjelice itd.), sa zadanom vodljivošću. Potonje može jako varirati. Na primjer, sintetiziran je materijal grafan koji je, za razliku od grafena, izolator (vidi “Znanost i život” br.). Dobiven je dodavanjem vodikovog atoma svakom ugljikovom atomu početnog materijala. Važno je da se sva svojstva početnog materijala – grafena – mogu vratiti jednostavnim zagrijavanjem (žarenjem) grafana. U isto vrijeme, grafen dodan u plastiku (izolator) pretvara je u vodič.

Gotovo potpuna prozirnost grafena sugerira njegovu upotrebu u ekranima osjetljivim na dodir, a ako se sjetimo njegove "supertankoće", onda su izgledi za njegovu upotrebu u budućim fleksibilnim računalima (koja se mogu smotati kao novine), narukvicama za satove i mekim svjetlosne ploče su prozirne.

No, svaka primjena materijala zahtijeva njegovu industrijsku proizvodnju, za što metoda mikromehaničkog pilinga koja se koristi u laboratorijskim istraživanjima nije prikladna. Stoga se sada u svijetu razvija ogroman broj drugih načina za njegovo dobivanje. Već su predložene kemijske metode za proizvodnju grafena iz mikrokristala grafita. Jedan od njih, primjerice, proizvodi grafen ugrađen u polimernu matricu. Također je opisano taloženje iz pare i rast pri visokom tlaku i temperaturi na podlogama od silicij karbida. U potonjem slučaju, koji je najprikladniji za industrijsku proizvodnju, tijekom toplinske razgradnje površinskog sloja podloge nastaje film sa svojstvima grafena.

Vrijednost novog materijala za razvoj fizikalnih istraživanja je fantastično velika. Kao što ističu Sergej Morozov (Institut za probleme tehnologije mikroelektronike i visoko čistih materijala Ruske akademije znanosti), Andre Geim i Konstantin Novoselov u svom članku objavljenom 2008. u časopisu Uspekhi Fizicheskikh Nauk, "u stvari, grafen otvara nova znanstvena paradigma - “relativistička” fizika čvrstog stanja, u kojoj se kvantni relativistički fenomeni (od kojih neki nisu ostvarivi čak ni u fizici visokih energija) sada mogu proučavati u običnim laboratorijskim uvjetima... Po prvi put u čvrstom stanju eksperimentom, moguće je istražiti sve nijanse i raznolikost kvantne elektrodinamike.” Odnosno, govorimo o tome da se mnogi fenomeni, čije je proučavanje zahtijevalo izgradnju ogromnih akceleratora čestica, sada mogu proučavati naoružani mnogo jednostavnijim instrumentom - najtanjim materijalom na svijetu.

Stručni komentar

Razmišljali smo o tranzistoru s efektom polja...

Urednici su svog kolegu i koautora zamolili da prokomentira rezultate rada nobelovaca Andrea Geima i Konstantina Novoselova. Šef laboratorija Instituta za probleme tehnologije mikroelektronike i visoko čistih materijala Ruske akademije znanosti (Černogolovka) Sergej Morozov odgovara na pitanja dopisnice "Znanosti i života" Tatjane Zimine.

Kako je došlo do ideje da se dobije dvodimenzionalni karbonski materijal? U vezi s čime? Jeste li očekivali neka neobična svojstva od ovog oblika ugljika?

U početku, naš cilj nije bio napraviti dvodimenzionalni materijal od polumetala, pokušavali smo napraviti tranzistor s efektom polja. Metali, čak i debljine jednog atoma, nisu prikladni za to - imaju previše slobodnih elektrona. Najprije smo od kristala grafita dobili prebrojiv broj atomskih ravnina, zatim smo počeli izrađivati ​​sve tanje i tanje ploče dok nismo dobili monoatomski sloj, odnosno grafen.

Grafenom se teoretičari bave već dugo, od sredine dvadesetog stoljeća. Također su uveli i sam naziv dvodimenzionalni karbonski materijal. Upravo je grafen postao polazište teoretičarima (davno prije njegove eksperimentalne proizvodnje) za izračunavanje svojstava drugih oblika ugljika - grafita, nanocijevi, fulerena. Također je teoretski najbolje opisan. Naravno, teoretičari jednostavno nisu razmatrali neke učinke koji su sada otkriveni eksperimentalno. Elektroni u grafenu se ponašaju kao relativističke čestice. Ali nitko nikada nije razmišljao o proučavanju kako bi Hallov efekt izgledao u slučaju relativističkih čestica. Otkrili smo novu vrstu kvantnog Hallovog efekta, što je bila jedna od prvih jasnih potvrda jedinstvenosti elektroničkog podsustava u grafenu. Isto se može reći i za Kleinov paradoks svojstven grafenu, poznat iz fizike visokih energija. U tradicionalnim poluvodičima ili metalima, elektroni mogu prolaziti kroz potencijalne barijere, ali s vjerojatnošću znatno manjom od jedan. U grafenu, elektroni (poput relativističkih čestica) prodiru čak i kroz beskonačno visoke potencijalne barijere bez refleksije.

Zašto se mislilo da bi dvodimenzionalni ugljični materijal (grafen) bio nestabilan na sobnoj temperaturi? I kako ste ga onda uspjeli nabaviti?

Rani radovi teoretičara koji su pokazali nestabilnost dvodimenzionalnih materijala odnosili su se na beskonačni idealni dvodimenzionalni sustav. Kasniji rad je pokazao da u dvodimenzionalnom sustavu dalekosežni poredak (koji je svojstven kristalnim tijelima - ur.) još uvijek može postojati na konačnoj temperaturi (sobna temperatura za kristal je prilično niska temperatura). Pravi grafen u suspendiranom stanju očito nije savršeno ravan, blago je valovit - visina uspona u njemu je reda veličine nanometra. Ovi "valovi" nisu vidljivi u elektronskom mikroskopu, ali postoje druge potvrde za njih.

Grafen je poluvodič, ako sam dobro shvatio. Ali tu i tamo nađem definiciju - polumetal. Kojoj klasi materijala pripada?

Poluvodiči imaju zabranjeni pojas određene širine. Za grafen je nula. Stoga se može nazvati poluvodič s nultim razmakom ili polumetal s nultim preklapanjem. To jest, zauzima srednji položaj između poluvodiča i polumetala.

Tu i tamo u popularnoj literaturi spominju se i drugi dvodimenzionalni materijali. Je li vaša grupa pokušala nabaviti nešto od ovoga?

Doslovno godinu dana nakon dobivanja grafena, dobili smo dvodimenzionalne materijale iz drugih slojevitih kristala. To su npr. borov nitrid, neki dihalkogenidi i visokotemperaturni supravodič Bi-Sr-Ca-Cu-O. Nisu replicirali svojstva grafena - neki od njih općenito su bili izolatori, drugi su imali vrlo nisku vodljivost. Mnoge istraživačke skupine diljem svijeta proučavaju dvodimenzionalne materijale. Trenutno koristimo bor nitrid kao supstrat za grafenske strukture. Pokazalo se da to radikalno poboljšava svojstva grafena. Također, ako govorimo o korištenju grafena za stvaranje kompozitnih materijala, bor nitrid je jedan od njegovih glavnih konkurenata.

- Koje postojeće metode za proizvodnju grafena najviše obećavaju?

Po mom mišljenju, sada postoje dvije takve glavne metode. Prvi je rast filmova nekih metala rijetkih zemalja, kao i bakra i nikla, na površini. Zatim se grafen mora prenijeti na druge podloge, a to su već naučili. Ova tehnologija ulazi u fazu komercijalnog razvoja.

Druga metoda je rast na silicijevom karbidu. Ali bilo bi lijepo naučiti kako uzgajati grafen na siliciju, na kojem je izgrađena sva moderna elektronika. Tada bi razvoj grafenskih uređaja išao velikim koracima, budući da bi grafenska elektronika prirodno proširila funkcionalnost tradicionalne mikroelektronike.