Hadiah Nobel untuk penemuan agraphene. Bagaimana "fisikawan sampah" dari Rusia memenangkan Hadiah Nobel

Nama-nama peraih Nobel Fisika 2010 telah diumumkan di Stockholm. Mereka adalah Profesor Andrey Geim dan Profesor Konstantin Novoselov. Kedua pemenang, yang bekerja di British University of Manchester, berasal dari Rusia. Andrei Geim, 52, adalah warga negara Belanda, sedangkan Konstantin Novoselov, 36, berkewarganegaraan Rusia dan Inggris.

Penghargaan ilmiah paling bergengsi di dunia, yaitu sekitar $1,5 juta tahun ini, diberikan kepada para ilmuwan atas penemuan graphene, bahan yang sangat tipis dan sangat tahan lama, yang merupakan film karbon setebal satu atom.

Tentang kesulitan apa yang muncul selama penemuan graphene dan apa aplikasi praktis dari bahan ini, Alexander Sergeev, editor ilmiah majalah Vokrug Sveta, berbicara di Radio Liberty:

Fakta bahwa para ilmuwan telah memperoleh graphene sangatlah luar biasa. Secara teoritis, graphene diprediksi setengah abad sebelum sintesisnya. Di sekolah, semua orang mempelajari struktur grafit - ini adalah pensil biasa. Atom karbon membentuk lapisan tipis yang berulang kali berlapis di atas satu sama lain. Setiap lapisan terdiri dari sel-sel heksagonal yang, seperti sarang lebah, saling berlabuh.

Masalahnya adalah memisahkan satu lapisan dari yang di atas dan di bawah. Untuk satu lapisan kristal dua dimensi ini, disebut demikian karena tidak memiliki dimensi ketiga, sekumpulan sifat fisik yang menarik telah diprediksi. Ada banyak percobaan. Tetapi tidak mungkin mencapai pemisahan satu lapisan dari lapisan lainnya dengan hasil yang stabil.

Andrey Geim dan Konstantin Novoselov menemukan cara di mana mereka dapat mengisolasi lapisan ini dan kemudian memastikannya benar-benar satu. Para ilmuwan kemudian dapat mengukur sifat fisiknya dan memverifikasi bahwa prediksi teoretisnya kurang lebih benar. Eksperimen ini sangat sederhana: para ilmuwan mengambil pensil biasa, sepotong grafit. Dengan pita perekat, lapisan grafit dihilangkan darinya, dan kemudian mereka mulai mengelupasnya. Ketika 1-2 lapisan tersisa, grafit dipindahkan ke substrat silikon.

Mengapa semua percobaan sebelumnya gagal? Karena (dan ini diprediksi secara teoritis) film graphene, kristal karbon dua dimensi, tidak stabil terhadap puntiran. Begitu dia dalam keadaan bebas, dia akan segera mulai roboh. Bahkan ada anggapan bahwa tidak mungkin mengisolasi graphene. Pekerjaan para ilmuwan selesai pada tahun 2004, dan pada tahun 2009 sepotong graphene sudah diperoleh. Artinya, selembar graphene berukuran hampir satu sentimeter. Dan sekarang kita berbicara tentang puluhan sentimeter.

Mengapa kita membutuhkan graphene ini?

Semua elektronik sekarang bergerak ke arah pengurangan ukuran elemen - transistor, elektroda, dll. Semakin kecil elemen di dalam prosesor, semakin banyak elemen yang dapat ditempatkan di dalamnya dan semakin kuat prosesor yang dapat dirakit. Oleh karena itu, operasi logis yang lebih kompleks akan dilakukan di dalamnya. Apa yang bisa lebih tipis dari satu lapisan atom? Graphene memiliki sifat ketipisan.

Selain itu, ia menghantarkan listrik. Dan hampir transparan. Pada saat yang sama, itu cukup kuat: itu adalah salah satu bahan terkuat per lapisan atom. Praktis tidak melewati zat lain apa pun. Bahkan gas helium tidak dapat menembus graphene, jadi ini adalah lapisan yang sangat andal. Bisa digunakan misalnya di layar sentuh, karena elektroda transparan tidak akan mengaburkan gambar. Anda dapat mencoba menggunakannya dalam elektronik. Sekarang mereka mencoba mengembangkan transistor berdasarkan graphene. Benar, ada kesulitan di sini. Graphene memiliki sifat anomali yang membuatnya agak sulit digunakan dalam transistor. Tapi setelah kita mempelajari cara mendapatkan lapisan atom, ini mungkin rintangan yang sudah bisa diatasi. Ini adalah materi yang pada dasarnya baru. Belum pernah ada yang seperti itu. Monolayer konduktor tertipis yang dapat digunakan dalam teknologi, dalam elektronik.

Peraih Nobel baru memiliki biografi yang agak rumit. Salah satunya adalah warga negara Belanda, yang lainnya memiliki dua paspor: Inggris dan Rusia. Mereka bekerja, sejauh yang diketahui, di pusat ilmiah di Manchester, Inggris. Apakah sains menjadi internasional, atau apakah nasib menyedihkan ilmuwan Rusia membuat penemuan hebat hanya jika mereka pergi ke luar negeri?

Untuk terlibat dalam karya ilmiah yang serius, seseorang tidak hanya membutuhkan basis material dan teknis, tetapi juga ketenangan pikiran. Seorang ilmuwan tidak boleh dibingungkan oleh beberapa pertanyaan. Andrei Game 10 tahun lalu menerima Hadiah Nobel Ig untuk eksperimen levitasi magnetik katak. Hadiah Nobel Ig adalah lelucon anti-penghargaan untuk pekerjaan yang tidak berarti. Seorang ilmuwan membutuhkan kebebasan tertentu dalam pekerjaannya. Kemudian ide-ide lahir. Hari ini saya melayangkan katak, dan besok saya mendapatkan graphene.

Jika seseorang memiliki kondisi seperti itu, maka dia bekerja lebih efisien. Bagaimanapun, kedua peraih Nobel fisika saat ini belajar di Institut Fisika dan Teknologi Moskow (Institut Fisika dan Teknologi Moskow - RS). Dan segera mereka berangkat ke Belanda, ke Inggris Raya, karena suasana kerja di sana lebih mendukung untuk mencari sarana ilmiah yang diperlukan untuk melakukan penelitian. Mereka merobek film karbon dengan pita perekat, tetapi harus diukur dengan mikroskop gaya atom. Jadi mikroskop ini harus. Di Rusia, tentu saja, tetapi aksesnya jauh lebih sulit.

Jika saya mengatakan bahwa Rusia memiliki pendidikan dasar yang baik yang memungkinkan untuk menumbuhkan pemenang Hadiah Nobel, tetapi pada saat yang sama tidak ada basis ilmiah teknologi tinggi yang serius untuk eksperimen, apakah itu benar?

Seperti generalisasi lainnya, ada beberapa peregangan di sini. Dengan pendidikan kita tidak lagi begitu baik dan mulus, karena di banyak tempat sekolah-sekolah ilmiah dihancurkan. Ada terobosan besar dalam pekerjaan tahun 90-an. Ada sekolah-sekolah terpencil di Rusia di mana semuanya masih berjalan dengan baik, tetapi ada masalah dengan peralatan dan melakukan penelitian mahal yang serius. Di suatu tempat peralatan ini berakhir: dari waktu ke waktu, pembelian yang cukup serius dilakukan, misalnya, ke Institut Kurchatov. Tapi seberapa efektif penerapannya masih menjadi pertanyaan besar. Oleh karena itu, di beberapa tempat terdapat sekolah ilmiah yang kuat, sedangkan di tempat lain terdapat dana untuk teknologi. Cukup sulit menukarnya di antara mereka sendiri karena alasan gengsi dan birokrasi. Di Rusia, penelitian kelas tinggi juga dimungkinkan, tetapi jauh lebih sulit untuk melakukannya - ini adalah lingkungan yang lebih sulit untuk bekerja di sini.

Penelitian ilmiah memiliki banyak segi. Tetapi apakah ada area terpisah yang didefinisikan oleh Komite Nobel sebagai terobosan? Untuk apa lebih mudah mendapatkan Hadiah Nobel? Atau tidak ada petunjuk seperti itu?

Saya melihat daftar pemenang Hadiah Nobel dalam bidang fisika selama 20 tahun terakhir. Tidak ada kecenderungan yang jelas. Ada cukup banyak penghargaan di bidang fisika partikel elementer, interaksi fisik fundamental. Ini bisa dimengerti - mereka melakukan pekerjaan yang cukup menarik di sana. Tapi di sini kita harus mempertimbangkan poin penting. Sering dikatakan bahwa untuk menerima Hadiah Nobel, tidak cukup melakukan pekerjaan terobosan. Kita masih harus hidup sampai waktunya dihargai. Oleh karena itu, Hadiah Nobel biasanya diberikan kepada orang-orang pada usia yang sangat terhormat. Dari sudut pandang ini, Hadiah Nobel Fisika tahun ini merupakan pengecualian dari aturan tersebut. Novoselov sekarang berusia 36 tahun. Selama 20 tahun terakhir, tidak ada kasus seperti itu di antara penghargaan dalam fisika, dan menurut saya, tidak pernah ada sama sekali! Selama 8 tahun terakhir, tidak ada ilmuwan di bawah 50 tahun yang menerima Hadiah Nobel, dan banyak yang menerimanya pada usia 70 atau bahkan 80 tahun untuk pekerjaan yang dilakukan beberapa dekade lalu.

Hadiah Nobel saat ini diberikan dengan melanggar aturan. Mungkin Komite Nobel merasa bahwa hadiah itu bersifat gerontologis dan usia penerimaannya harus diturunkan. Terakhir kali pada usia "muda" hadiah dalam fisika diberikan pada tahun 2001. Para pemenang berusia antara 40 dan 50 tahun.

Sekarang, tampaknya, sebuah instalasi telah dibuat untuk pekerjaan eksperimental yang sebenarnya. Jadi, meskipun Hadiah Nobel tidak termasuk astronomi, dalam 10 tahun terakhir ada dua hadiah yang sangat penting dalam astrofisika. Ada penghargaan dalam fisika energi tinggi dan fisika partikel dasar, dalam fisika benda padat, dalam fisika benda padat - yaitu, padat, cair, dan keadaan lain di mana atom-atom saling berdekatan. Hampir semua karya ini, dengan satu atau lain cara, terkait dengan fisika kuantum.

Mengapa tepatnya teori kuantum? Apakah karena beberapa preferensi pribadi dari anggota Komite Nobel? Atau apakah ini benar-benar masa depan ilmiah terdekat?

Alasannya sangat sederhana. Faktanya, semua fisika, kecuali teori gravitasi, sekarang adalah kuantum. Hampir semua hal baru yang dilakukan di bidang fisika, dengan pengecualian arah tertentu, peningkatan dan terobosan yang telah dilakukan di masa lalu, didasarkan pada fisika kuantum. Hanya gravitasi yang belum menyerah pada "kuantisasi" ini. Dan segala sesuatu yang menyangkut dasar fisika adalah teori kuantum dan teori materi kuantum.

Siapa dia? Novoselov Konstantin Sergeevich!

Biografi

Ilmuwan terkenal itu lahir di kota Nizhny Tagil, Wilayah Sverdlovsk, pada 23 Agustus 1974, di keluarga seorang insinyur dan guru bahasa Inggris di sekolah No. 39, yang pendiri dan direkturnya dulunya adalah kakeknya, Viktor Konstantinovich Novoselov.

Berada di kelas enam, Konstantin mengungkapkan kemampuan luar biasa dan menempati posisi pertama dalam Olimpiade Fisika Regional, dan beberapa saat kemudian, di All-Union Olympiad, ia mengulangi kesuksesannya, memasuki sepuluh besar. Pada tahun 1991 ia lulus dari Sekolah Fisika dan Teknologi Korespondensi tambahan dan pada tahun yang sama menjadi mahasiswa di Institut Fisika dan Teknologi Moskow. Dia belajar di bidang "nanoteknologi" khusus di Fakultas Elektronik Fisik dan Kuantum, dan lulus dengan pujian dari institut tersebut, setelah itu dia dipekerjakan oleh IPTM RAS (Institut Masalah Teknologi Mikroelektronika RAS) di Chernogolovka. Di sana ia menyelesaikan studi pascasarjana di bawah bimbingan Yuri Dubrovsky.

Luar negeri

Pada tahun 1999, Konstantin Sergeevich Novoselov, seorang fisikawan dengan reputasi yang sudah mapan, pindah ke Belanda. Di sana, di Universitas Nijmegen, dia bekerja dengan Andre Geim. Sejak 2001, para ilmuwan telah bekerja sama di Universitas Manchester. Pada tahun 2004 ia menerima gelar Ph.D. (supervisor Jan-Kees Maan).

Saat ini, Konstantin Sergeevich Novoselov adalah profesor Royal Society dan profesor ilmu fisika dan matematika di Universitas Manchester dan memiliki kewarganegaraan ganda (Rusia dan Inggris Raya). Sekarang tinggal di Manchester.

Riset

Untuk apa Konstantin Sergeevich Novoselov dikenal? Menurut badan analitik Thomson Reuters, fisikawan Rusia-Inggris ini adalah salah satu ilmuwan yang paling sering dikutip. Dari penanya muncul 190 artikel ilmiah. Namun, penelitiannya yang paling signifikan tentu saja adalah graphene. Banyak yang telah mendengar kata ini, yang tampaknya sederhana dan akrab. Teknologinya sangat ringkas dan elegan, seperti semua yang cerdik. Studi lebih lanjut dimungkinkan, akan memperkenalkan umat manusia ke era perangkat seluler dan komputer ultra cepat dan ultra tipis, mobil listrik, dan struktur yang tahan lama namun sangat ringan.

Penghargaan

Ketika Konstantin Sergeevich Novoselov mulai bekerja di Universitas Manchester, seorang kolega senior dari Rusia menjadi pemimpinnya, pada saat itu dia telah lama terlibat dalam penelitian di bidang ini dan berhasil mereproduksi mekanisme menempelnya cakar tokek. , dan berdasarkan itu ia membuat pita perekat, yang kemudian digunakan fisikawan dalam bekerja dengan graphene. Sebelumnya, Geim dibantu oleh seorang siswa Tionghoa tertentu, tetapi, menurut fisikawan itu sendiri, pekerjaannya mulai maju hanya setelah Konstantin Sergeevich Novoselov turun ke bisnis. Hadiah Nobel diberikan kepada mereka pada Oktober 2010. Novoselov kini dikenal sebagai peraih Nobel termuda bidang fisika (selama 37 tahun terakhir), apalagi saat ini ia merupakan satu-satunya ilmuwan di antara peraih Nobel yang lahir setelah tahun 1970.

Pada tahun 2010 yang sama, Novoselov menerima gelar Komandan Ordo Singa Belanda atas kontribusinya yang signifikan bagi ilmu pengetahuan Belanda, dan beberapa saat kemudian, pada tahun 2011, keputusan Ratu Elizabeth ll menjadikannya seorang ksatria bujangan, sudah atas kontribusinya terhadap sains di Inggris Raya. Upacara ksatria yang khusyuk berlangsung beberapa saat kemudian, pada musim semi 2012, seperti yang diharapkan, di Istana Buckingham. Dipandu oleh putri Ratu, Putri Anne.

Harus dikatakan bahwa Konstantin Sergeevich Novoselov, yang kegiatan ilmiah dan sosialnya sangat luas, menerima penghargaan bergengsi lainnya untuk penelitian graphene, menjadi pemenang Penghargaan Eurofisika pada tahun 2008. Itu diberikan setiap dua tahun, hanya ada tiga belas pemenang Nobel di antara para pemenang hadiahnya. Penghargaan terdiri dari hadiah uang dan sertifikat yang sesuai. Dia juga menerima Hadiah Kurti, tetapi bukan untuk graphene, tetapi untuk daftar pencapaian dalam bekerja dengan bidang suhu rendah dan medan magnet.

Tentang keluarga dan kehidupan

Konstantin Novoselov menikah bahagia dengan istrinya Irina. Meskipun dia juga orang Rusia, para ilmuwan bertemu di luar negeri, di Belanda. Irina berasal dari Vologda, dia terlibat dalam penelitian di bidang mikrobiologi (dia mempertahankan disertasinya di St. Petersburg). Pasangan ini memiliki dua anak perempuan, kembar Sofya dan Vika, lahir pada tahun 2009.

Konstantin Sergeevich, dengan kata-katanya sendiri, bukanlah ayah yang duduk di laboratorium selama berminggu-minggu, merindukan masa kecil anak-anaknya sendiri. Baginya untuk menemukan transistor terkecil di dunia dan mengajari putrinya menghitung sampai dua puluh tujuh - sesuatu yang ada di baris yang sama. "Tidak ada yang pernah melakukan ini sebelum Anda," katanya.

Sebaliknya, orang tuanya tidak pernah berusaha membatasi minat putranya. Mereka selalu yakin bahwa putra mereka sangat berbakat, dan, seperti yang dikatakan fisikawan itu sendiri, mereka tidak terkejut ketika menerima Hadiah Nobel.

Dalam sebuah wawancara untuk majalah Esquire, dia mengaku bercita-cita belajar bermain piano. Meski belajar, menurut pengakuannya sendiri, sejauh ini hasilnya biasa-biasa saja.

Tentang Uni Soviet

Konstantin Sergeevich lahir di Uni Soviet dan menerima pendidikan yang sangat baik. Dia sendiri mengakui bahwa hanya ada sedikit tempat di mana Anda bisa mendapatkan ilmu yang begitu dalam. Tapi dia tidak akan kembali ke Rusia. Mungkin justru karena itu beberapa jurnalis tanpa disadari mencela dia karena kurang patriotisme. Untuk ini, ilmuwan menjawab bahwa ini bukan tentang uang, hanya saja bekerja di Inggris lebih tenang, karena tidak ada yang mencampuri urusan Anda.

Novoselov menganggap enteng hidup, tidak terpaku pada kegagalan - ini adalah salah satu aturan dasarnya. Jika kesulitan muncul dalam hubungan dengan orang-orang, dia berusaha untuk tidak menyebabkan putusnya hubungan, tetapi, jika ini tidak dapat dihindari, dia menyerahkan keputusan terakhir kepada orang lain. Seorang fisikawan terkenal memiliki banyak masalah kehidupan yang sama, misalnya, dia akan siap mengeluarkan uang hanya untuk mendapatkan waktu luang.

Tetapi dia tidak membagi hidupnya untuk bekerja dan bersantai, mungkin inilah kunci produktivitas ilmuwan. Di rumah, dia memikirkan fisika, dan di tempat kerja dia hanya mengistirahatkan jiwanya.

Apa itu graphene

Terlepas dari, tentu saja, semua pencapaian di bidang fisika, karya utama Novoselov dulu dan sekarang adalah graphene. Struktur ini, yang diperoleh untuk pertama kalinya di laboratorium oleh rekan kami, adalah "kisi" dua dimensi atom karbon yang tebalnya hanya satu atom. Novoselov sendiri mengklaim bahwa teknologinya tidak rumit dan siapa pun dapat membuat graphene, hampir dari cara improvisasi. Dia mengatakan itu cukup untuk mendapatkan beberapa grafit yang bagus untuk Anda mulai, meskipun Anda bahkan dapat menggunakan pensil dan berbelanja secara royal pada wafer dan selotip silikon. Semuanya, set untuk membuat graphene sudah siap! Dengan demikian, materi tersebut tidak akan menjadi milik perusahaan besar secara eksklusif, Novoselov dan Game benar-benar menyumbangkannya ke seluruh dunia.

Properti Luar Biasa

Fisikawan juga terkejut dengan sifat elektronik dari bahan ini. Menurutnya, graphene dapat digunakan dalam transistor, yang sudah coba dilakukan oleh beberapa perusahaan, menggantikan komponen yang sudah dikenal di perangkat seluler.

Menurut Novoselov, graphene akan merevolusi teknologi. Bagian integral dari setiap film fiksi ilmiah adalah gadget yang luar biasa, transparan, tipis, tidak dapat dipecahkan, dan dengan fungsionalitas yang luar biasa. Jika graphene secara bertahap menggantikan silikon usang, teknologi dari bioskop akan muncul dalam kehidupan.

Apa lagi yang luar biasa tentang studi Novoselov dan Geim? Fakta bahwa mereka hampir secara instan bermigrasi dari laboratorium ke konveyor, dan bahkan lebih - ternyata sangat berguna di tahun-tahun awal.

teknologi masa depan

Di mana graphene digunakan sekarang? Tampaknya materi yang baru ditemukan tersebut belum dapat menyebar luas, dan ini sebagian benar. Hampir semua pengembangan masih bersifat eksperimental dan belum dirilis ke produksi massal. Namun, mereka sekarang mencoba menggunakan bahan ini di semua area, yang, mungkin, dapat disebut sebagai "demam graphene" yang sesungguhnya.

Graphene sendiri, meski bobotnya rendah dan transparansi hampir sempurna (menyerap 2% cahaya yang ditransmisikan, persis sama dengan kaca jendela biasa), bahannya sangat tahan lama. Studi terbaru oleh para ilmuwan Amerika menunjukkan bahwa graphene bercampur dengan baik dengan plastik. Ini menghasilkan bahan yang sangat kuat yang dapat digunakan dalam segala hal mulai dari furnitur dan ponsel hingga ilmu roket.

Prototipe baterai untuk mobil listrik telah dibuat dari graphene. Mereka dicirikan oleh kapasitas tinggi dan waktu pengisian yang singkat. Mungkin dengan cara inilah masalah kendaraan listrik akan teratasi, dan transportasi akan menjadi murah dan ramah lingkungan.

Graphene digunakan dalam pengembangan panel sentuh baru untuk ponsel. Jika sensor klasik hanya dapat bekerja pada permukaan datar, maka graphene bebas dari kekurangan ini, karena dapat ditekuk sesuka Anda. Selain itu, konduktivitas listrik yang tinggi akan membuat respon menjadi minimal.

Dalam penerbangan

Badan roket dan pesawat yang dibuat menggunakan graphene akan beberapa kali lebih ringan, yang akan sangat mengurangi biaya bahan bakar. Penerbangan akan menjadi sangat murah sehingga siapa pun dapat melakukan perjalanan ke sisi lain bumi. Namun, selain lalu lintas penumpang, hal ini tentunya juga akan mempengaruhi lalu lintas barang. Pasokan sudut-sudut terpencil planet ini akan menjadi jauh lebih baik, yang berarti lebih banyak orang akan tinggal dan bekerja di sana.

MOSKOW, 5 Oktober - RIA Novosti. Hadiah Nobel Fisika 2010 adalah perayaan untuk dua negara sekaligus, untuk tanah air para pemenang - Rusia, dan untuk rumah mereka saat ini - Inggris. Akademisi Swedia memberikan penghargaan ilmiah tertinggi kepada Andrey Geim dan Konstantin Novoselov atas penemuan bentuk karbon dua dimensi - graphene, memaksa ilmuwan Rusia untuk mengeluh tentang pengurasan otak, dan ilmuwan Inggris - berharap untuk melanjutkan pendanaan untuk sains.

"Sayang sekali Geim dan Novoselov membuat penemuan mereka di luar negeri," kata Alexei Khokhlov, kepala Departemen Polimer dan Fisika Kristal di Universitas Negeri Moskow, kepada RIA Novosti.

"Pemerintah harus belajar dari keputusan Komite Nobel," - mengomentari penghargaan Hadiah Nobel Fisika, Presiden Royal Society of Science, Profesor Martin Reese. Dia ingat bahwa banyak ilmuwan, termasuk yang asing, yang bekerja di Inggris, jika terjadi pembatasan pendanaan, dapat pergi begitu saja ke negara lain.

Pemerintah Inggris pada 20 Oktober akan mengumumkan rencana pemotongan serius dalam pengeluaran pemerintah. Sains dan pendidikan tinggi diperkirakan menjadi salah satu bidang yang paling terkena dampak pemotongan.

Lulusan MIPT Game dan Novoselov, yang bekerja di Manchester, menerima penghargaan "untuk percobaan perintis dalam studi bahan graphene dua dimensi". Mereka akan berbagi 10 juta kronor Swedia (sekitar satu juta euro) di antara mereka sendiri. Upacara penghargaan akan berlangsung di Stockholm pada 10 Desember, hari kematian pendirinya, Alfred Nobel.

Graphene menjadi bahan dua dimensi pertama dalam sejarah, terdiri dari satu lapisan atom karbon yang dihubungkan oleh struktur ikatan kimia yang menyerupai struktur sarang lebah dalam geometrinya. Untuk waktu yang lama diyakini bahwa struktur seperti itu tidak mungkin.

"Diyakini bahwa kristal satu lapis dua dimensi seperti itu tidak mungkin ada. Mereka harus kehilangan stabilitas dan berubah menjadi sesuatu yang lain, karena sebenarnya ini adalah bidang tanpa ketebalan," mantan kepala pemenang, direktur Institute for Problems Teknologi Mikroelektronika dan Bahan Kemurnian Tinggi dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia (IPTM) kepada RIA Novosti ) Vyacheslav Tulin.

Namun, materi yang "tidak mungkin" tersebut ternyata memiliki sifat fisik dan kimiawi yang unik yang membuatnya sangat diperlukan di berbagai bidang. Graphene menghantarkan listrik serta tembaga, dapat digunakan untuk membuat layar sentuh, sel surya, perangkat elektronik yang fleksibel.

"Ini adalah revolusi masa depan dalam mikroelektronika. Jika sekarang komputer berukuran gigahertz, maka akan menjadi terahertz dan seterusnya. Transistor dan semua elemen sirkuit elektronik lainnya akan dibuat berdasarkan graphene," Alexei Fomichev, profesor di Departemen MIPT Quantum Electronics, kepada RIA Novosti.

Graphene telah menemukan satu bidang aplikasi: sel surya fotovoltaik. "Sebelumnya, oksida indium yang didoping timah digunakan sebagai elektroda transparan dalam produksi sel fotovoltaik. Tapi ternyata beberapa lapisan graphene jauh lebih efisien," kata Alexander Vul, kepala laboratorium fisika struktur cluster di Institut Fisika dan Teknologi St. Petersburg Ioffe, Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia.

Yang pertama dari jurusan fisika dan teknologi

Andrei Geim dan Konstantin Novoselov adalah lulusan pertama Institut Fisika dan Teknologi Moskow yang menerima Hadiah Nobel: sebelum itu, pendiri dan karyawan Institut Fisika dan Teknologi Moskow - Petr Kapitsa, Nikolai Semenov, Lev Landau, Igor Tamm, Alexander Prokhorov, Nikolai Basov, Vitaly Ginzburg dan Alexey Abrikosov. Geim lulus dari Fakultas Fisika Umum dan Terapan (FOPF) pada tahun 1982, Novoselov - dari Fakultas Fisika dan Elektronik Kuantum (FFKE) pada tahun 1997. Kedua lulusan menerima diploma merah.

"Ini berita super. Kami sangat senang dengan keputusan Komite Nobel. MIPT telah mengirimkan ucapan selamat kepada para peraih Nobel yang baru," kata Rektor MIPT Nikolai Kudryavtsev kepada RIA Novosti, Selasa.

Menurut rektor, para staf "mengangkat arsip pribadi mereka dari arsip dan memastikan bahwa mereka adalah mahasiswa berprestasi." Pada saat yang sama, Andrey Geim tidak masuk institut untuk pertama kalinya, setelah bekerja selama satu tahun di pabrik, tetapi "menunjukkan kegigihan" dan menjadi mahasiswa di Institut Fisika dan Teknologi Moskow.

"Selama masa studi di FOPF, Geim menerima ulasan tertinggi dari para guru. Dan karya terakhir Geim dinilai sangat tinggi oleh komite diploma," kata kepala Institut Fisika dan Teknologi Moskow.

Seorang siswa dari kelompok ke-152 Fakultas Fisika dan Elektronik Kuantum, Konstantin Novoselov, seperti dicatat oleh Kudryavtsev, "menghadiri kelas secara tidak teratur, tetapi menyerahkan semua tugas dengan sukses dan tepat waktu."

"Dan ulasan guru tentang Novoselov juga yang tertinggi. Artinya, dia sangat berbakat sehingga, secara umum, dia tidak perlu pergi ke semua kelas," komentar rektor Institut Fisika dan Teknologi Moskow. dokumen arsip.

Dari Schnobel ke Nobel

Rekan Geim, Konstantin Novoselov, menjadi peraih Nobel termuda dengan kewarganegaraan Rusia: fisikawan berusia 36 tahun itu enam tahun lebih muda dari rekan Sovietnya Nikolai Basov, yang pada usia 42 menerima hadiah tahun 1964 untuk karyanya di bidang elektronika kuantum, yang mengarah pada penciptaan emitter dan amplifier berdasarkan prinsip laser-maser.

Pemenang Hadiah Nobel termuda dalam sejarah adalah Lawrence Bragg, yang pada usia 25 berbagi hadiah dalam bidang fisika dengan ayahnya, William Henry Bragg. Empat posisi berikutnya dalam daftar pemenang termuda dalam sejarah juga ditempati oleh fisikawan: Werner Heisenberg, Zongdao Li, Karl Anderson, dan Paul Dirac menerima hadiah pada usia 31 tahun.

Konstantin Novoselov, bagaimanapun, akan tercatat dalam sejarah sebagai anggota pertama dari generasi yang lahir pada tahun 1970-an. Fisikawan Eric Cornell, ahli biologi Carol Greider dan Craig Mello, dan Presiden AS Barack Obama, yang menerima Hadiah Nobel Perdamaian, mewakili dekade sebelumnya dalam daftar pemenang. Tidak ada seorang pun yang lebih muda dari tahun 1961, kecuali Novoselov, dalam daftar pemenang.

Dari editor: Menyinggung topik modernisasi ekonomi Rusia dan perkembangan teknologi tinggi di negara kita, kami menetapkan tugas tidak hanya untuk menarik perhatian pembaca pada kekurangannya, tetapi juga untuk membicarakan contoh-contoh positif. Apalagi ada, dan banyak sekali. Minggu lalu kita berbicara tentang pengembangan sel bahan bakar di Rusia, dan hari ini kita akan berbicara tentang graphene, untuk mempelajari sifat-sifat yang baru-baru ini diterima oleh "mantan orang kita" Hadiah Nobel. Ternyata di Rusia, atau lebih tepatnya, di Novosibirsk, mereka mengerjakan materi ini dengan sangat serius.

Silikon sebagai dasar mikroelektronika telah dengan kuat memenangkan posisinya di ruang teknologi tinggi, dan ini tidak terjadi secara kebetulan. Pertama, relatif mudah untuk memberikan sifat yang diinginkan ke silikon. Kedua, telah dikenal sains sejak lama, dan telah dipelajari "naik turun". Alasan ketiga adalah dana yang sangat besar telah diinvestasikan dalam teknologi silikon, dan hanya sedikit orang yang berani bertaruh pada materi baru sekarang. Bagaimanapun, untuk ini perlu dibangun kembali sektor industri yang besar. Sebaliknya, bangun hampir dari awal.

Namun, ada pesaing lain untuk kepemimpinan sebagai bahan semikonduktor. Misalnya, graphene, yang setelah Hadiah Nobel untuk mempelajari sifat-sifatnya, menjadi sangat populer. Memang, ada alasan untuk beralih dari silikon, karena graphene memiliki sejumlah keunggulan yang signifikan. Namun apakah kita akan berakhir dengan "elektronik berbasis graphene" belum jelas, karena selain kelebihannya, ada juga kekurangannya.

Untuk berbicara tentang prospek graphene dalam mikroelektronika dan sifat uniknya, kami bertemu di Novosibirsk dengan kepala peneliti Institut Kimia Anorganik. A. V. Nikolaev SB RAS, Doktor Ilmu Kimia, Profesor Vladimir Fedorov.

Alla Arsinova: Vladimir Efimovich, apa posisi silikon saat ini dalam mikroelektronika?

Vladimir Fedorov: Silikon telah lama digunakan di industri sebagai bahan semikonduktor utama. Faktanya adalah mudah diolah, yaitu atom dari berbagai unsur dapat ditambahkan ke dalamnya, yang mengubah sifat fisik dan kimia secara terarah. Modifikasi silikon dengan kemurnian tinggi seperti itu memungkinkan untuk mendapatkan bahan semikonduktor tipe-n atau p. Dengan demikian, doping terarah silikon mengatur sifat fungsional bahan yang penting untuk mikroelektronika.

Silikon adalah bahan yang benar-benar unik, dan inilah alasan mengapa begitu banyak usaha, uang, dan sumber daya intelektual telah diinvestasikan di dalamnya. Sifat dasar silikon telah dipelajari dengan sangat rinci sehingga ada pendapat luas bahwa tidak mungkin ada penggantinya. Namun, penelitian terbaru tentang graphene telah memberikan lampu hijau untuk pandangan lain, yaitu bahwa bahan baru dapat dikembangkan ke titik di mana mereka dapat menggantikan silikon.

Struktur kristal silikon

Diskusi semacam itu muncul secara berkala dalam sains, dan biasanya diselesaikan hanya setelah penelitian yang serius. Misalnya, baru-baru ini ada situasi serupa dengan superkonduktor suhu tinggi. Pada tahun 1986, Bednorz dan Müller menemukan superkonduktivitas dalam barium-lantanum-tembaga oksida (untuk penemuan ini mereka telah dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1987 - setahun setelah penemuan!), yang terdeteksi pada suhu yang jauh lebih tinggi dari nilai tersebut. karakteristik waktu yang diketahui dari bahan superkonduktor. Pada saat yang sama, struktur senyawa superkonduktor cuprate berbeda secara signifikan dari superkonduktor suhu rendah. Kemudian, studi sistem terkait longsoran salju menyebabkan produksi bahan dengan suhu transisi superkonduktor 90 K ke atas. Ini berarti bahwa helium cair yang tidak mahal dan berubah-ubah dapat digunakan sebagai zat pendingin, tetapi nitrogen cair - ada banyak di alam dalam bentuk gas, dan selain itu, jauh lebih murah daripada helium.

Namun, sayangnya, euforia ini segera berlalu setelah penelitian yang cermat terhadap superkonduktor suhu tinggi yang baru. Bahan polikristalin ini, seperti oksida kompleks lainnya, mirip dengan keramik: rapuh dan tidak ulet. Ternyata superkonduktivitas di dalam setiap kristal memiliki parameter yang baik, tetapi pada sampel kompak arus kritisnya agak rendah, yang disebabkan oleh kontak yang lemah antar butiran material. Persimpangan Josephson yang lemah antara butiran superkonduktor tidak memungkinkan untuk membuat bahan (misalnya, membuat kawat) dengan karakteristik superkonduktor yang tinggi.

Baterai surya berdasarkan silikon polikristalin

Situasi yang sama dapat terjadi dengan graphene. Saat ini, sifat yang sangat menarik telah ditemukan untuknya, tetapi penelitian ekstensif masih harus dilakukan untuk akhirnya menjawab pertanyaan tentang kemungkinan memperoleh bahan ini dalam skala industri dan menggunakannya dalam nanoelektronika.

Alla Arsinova: Bisakah Anda menjelaskan apa itu graphene dan apa bedanya dengan grafit?

Vladimir Fedorov: Graphene adalah lapisan monoatomik yang terbentuk dari atom karbon, yang seperti grafit, memiliki kisi berbentuk sarang lebah. Dan grafit, masing-masing, ditumpuk satu sama lain dalam tumpukan lapisan graphene. Lapisan graphene dalam grafit saling berhubungan oleh ikatan van der Waals yang sangat lemah, oleh karena itu pada akhirnya memungkinkan untuk memisahkannya. Saat kita menulis dengan pensil, ini adalah contoh fakta bahwa kita sedang mengelupas lapisan grafit. Benar, jejak pensil yang tersisa di atas kertas belum menjadi graphene, melainkan struktur multilayer graphene.

Sekarang setiap anak dapat mengatakan dengan sangat serius bahwa dia tidak hanya menerjemahkan kertas, tetapi juga menciptakan struktur multilayer graphene yang paling kompleks.

Tetapi jika memungkinkan untuk membagi struktur seperti itu menjadi satu lapisan, maka graphene sejati diperoleh. Pemisahan serupa dilakukan oleh peraih Nobel tahun ini dalam fisika Geim dan Novoselov. Mereka berhasil membelah grafit dengan pita perekat, dan setelah mempelajari sifat-sifat “lapisan grafit” ini, ternyata memiliki parameter yang sangat baik untuk digunakan dalam mikroelektronika. Salah satu sifat graphene yang luar biasa adalah mobilitas elektronnya yang tinggi. Dikatakan bahwa graphene akan menjadi bahan yang sangat diperlukan untuk komputer, ponsel, dan peralatan lainnya. Mengapa? Karena di daerah ini ada kecenderungan untuk mempercepat prosedur pengolahan informasi. Rutin ini terkait dengan frekuensi jam. Semakin tinggi frekuensi operasi, semakin banyak operasi yang dapat diproses per satuan waktu. Oleh karena itu, kecepatan pembawa muatan sangat penting. Ternyata pembawa muatan dalam graphene berperilaku seperti partikel relativistik dengan massa efektif nol. Sifat graphene seperti itu benar-benar memungkinkan kami untuk berharap bahwa perangkat yang mampu beroperasi pada frekuensi terahertz yang tidak dapat diakses oleh silikon dapat dibuat. Ini adalah salah satu sifat material yang paling menarik.

Peraih Nobel Fisika 2010 Andrey Geim dan Konstantin Novoselov

Film fleksibel dan transparan dapat diperoleh dari graphene, yang juga sangat menarik untuk beberapa aplikasi. Kelebihan lainnya adalah bahannya sangat sederhana dan sangat ringan, lebih ringan dari silikon; selain itu, ada banyak karbon di alam. Oleh karena itu, jika mereka benar-benar menemukan cara untuk menggunakan bahan ini dalam teknologi tinggi, maka tentunya akan memiliki prospek yang baik dan, mungkin, pada akhirnya akan menggantikan silikon.

Tapi ada satu masalah mendasar yang terkait dengan stabilitas termodinamika konduktor dimensi rendah. Seperti diketahui, benda padat dibagi lagi menjadi berbagai sistem spasial; misalnya, sistem 3D (tiga dimensi) mencakup kristal curah. Sistem dua dimensi (2D) diwakili oleh kristal berlapis. Dan struktur rantai milik sistem satu dimensi (1D). Jadi, rantai 1D dimensi rendah dan struktur berlapis 2D dengan sifat logam tidak stabil dari sudut pandang termodinamika, karena suhu menurun, mereka cenderung berubah menjadi sistem yang kehilangan sifat logam. Inilah yang disebut transisi insulator logam. Seberapa stabil material graphene di beberapa perangkat masih harus dilihat. Tentu saja, graphene menarik, baik dari segi sifat listrik maupun mekanik. Dipercayai bahwa lapisan graphene monolitik sangat kuat.

Alla Arsinova: Lebih kuat dari berlian?

Vladimir Fedorov: Intan memiliki ikatan tiga dimensi, secara mekanis sangat kuat. Dalam grafit di bidang, ikatan interatomiknya sama, mungkin lebih kuat. Faktanya adalah dari sudut pandang termodinamika, intan harus berubah menjadi grafit, karena grafit lebih stabil daripada intan. Namun dalam kimia, ada dua faktor penting yang mengontrol proses transformasi: stabilitas termodinamika fase dan kinetika proses, yaitu laju transformasi dari satu fase ke fase lainnya. Jadi, berlian telah berada di museum dunia selama berabad-abad dan mereka tidak ingin berubah menjadi grafit, meskipun seharusnya begitu. Mungkin dalam jutaan tahun mereka masih akan berubah menjadi grafit, meski sayang sekali. Proses intan menjadi grafit pada suhu ruangan sangat lambat, namun jika intan dipanaskan pada suhu tinggi, maka penghalang kinetik akan lebih mudah diatasi, dan hal ini pasti akan terjadi.

Grafit dalam bentuk aslinya

Alla Arsinova: Fakta bahwa grafit dapat dipecah menjadi serpihan yang sangat tipis telah lama diketahui. Lalu apa pencapaian peraih Nobel Fisika 2010?

Vladimir Fedorov: Anda mungkin tahu karakter seperti Petrik. Setelah Hadiah Nobel diberikan kepada Andrey Geim dan Konstantin Novoselov, dia menyatakan bahwa Hadiah Nobel telah dicuri darinya. Menanggapi hal tersebut, Game mengatakan bahwa memang bahan semacam itu sudah dikenal sejak lama, namun mereka diberi hadiah karena mempelajari sifat-sifat graphene, dan bukan karena menemukan metode untuk mendapatkannya seperti itu. Faktanya, kelebihan mereka adalah mereka mampu memisahkan lapisan graphene berkualitas sangat baik dari grafit yang sangat berorientasi dan mempelajari sifat-sifatnya secara mendetail. Kualitas graphene sangat penting, seperti halnya dalam teknologi silikon. Ketika mereka belajar bagaimana mendapatkan silikon dengan tingkat kemurnian yang sangat tinggi, barulah elektronik berdasarkan itu menjadi mungkin. Hal yang sama berlaku untuk graphene. Geim dan Novoselov mengambil grafit yang sangat murni dengan lapisan yang sempurna, berhasil memisahkan satu lapisan dan mempelajari sifat-sifatnya. Mereka adalah orang pertama yang membuktikan bahwa bahan ini memiliki serangkaian sifat unik.

Alla Arsinova: Sehubungan dengan pemberian Hadiah Nobel kepada para ilmuwan asal Rusia yang bekerja di luar negeri, rekan-rekan kita yang jauh dari sains bertanya-tanya apakah mungkin mendapatkan hasil yang sama di sini di Rusia?

Vladimir Fedorov: Mungkin itu mungkin. Mereka baru saja pergi pada waktu yang tepat. Makalah pertama mereka, diterbitkan di Nature, ditulis bersama dengan beberapa ilmuwan Chernogolovka. Rupanya, peneliti Rusia kami juga bekerja ke arah ini. Tapi gagal menyelesaikannya dengan meyakinkan. Itu sangat disayangkan. Mungkin salah satu alasannya adalah kondisi yang lebih menguntungkan untuk bekerja di laboratorium ilmiah asing. Saya baru saja tiba dari Korea dan dapat membandingkan kondisi kerja yang diberikan kepada saya di sana dengan bekerja di rumah. Jadi di sana saya tidak mengkhawatirkan apapun, dan di rumah penuh dengan tugas rutin yang menyita banyak waktu dan terus menerus mengalihkan perhatian dari hal utama. Saya diberikan semua yang saya butuhkan, dan itu dilakukan dengan kecepatan luar biasa. Misalnya, jika saya memerlukan semacam reagen, saya menulis catatan - dan keesokan harinya mereka memberikannya kepada saya. Saya menduga para peraih Nobel juga memiliki kondisi kerja yang sangat baik. Yah, mereka memiliki ketekunan yang cukup: mereka berulang kali mencoba mendapatkan materi yang bagus dan akhirnya berhasil. Mereka benar-benar menghabiskan banyak waktu dan tenaga untuk ini, dan penghargaan dalam pengertian ini memang pantas.

Alla Arsinova: Dan apa sebenarnya kelebihan graphene dibanding silikon?

Vladimir Fedorov: Pertama, kami telah mengatakan bahwa ia memiliki mobilitas pembawa yang tinggi, seperti yang dikatakan fisikawan, pembawa muatan tidak memiliki massa. Massa selalu memperlambat gerakan. Dan dalam graphene, elektron bergerak sedemikian rupa sehingga kita dapat menganggapnya tidak memiliki massa. Properti ini unik: jika ada bahan dan partikel lain dengan sifat serupa, mereka sangat jarang. Graphene ternyata bagus dalam hal ini, dan dalam hal ini lebih baik dibandingkan dengan silikon.

Kedua, graphene memiliki konduktivitas termal yang tinggi, yang sangat penting untuk perangkat elektronik. Sangat ringan dan lembaran graphene transparan dan fleksibel serta dapat digulung. Graphene juga bisa sangat murah jika dikembangkan metode optimal untuk produksinya. Lagi pula, "metode scotch", yang didemonstrasikan oleh Game dan Novoselov, bukanlah industri. Dengan metode ini diperoleh sampel dengan kualitas yang sangat tinggi, tetapi dalam jumlah yang sangat kecil, hanya untuk penelitian.

Dan sekarang ahli kimia sedang mengembangkan cara lain untuk mendapatkan graphene. Lagi pula, Anda perlu mendapatkan lembaran besar untuk menjalankan produksi graphene. Kami juga menangani masalah ini di sini, di Institut Kimia Anorganik. Jika graphene dapat disintesis menggunakan metode yang memungkinkan produksi material berkualitas tinggi dalam skala industri, maka ada harapan bahwa itu akan merevolusi mikroelektronika.

Alla Arsinova: Seperti yang mungkin sudah diketahui semua orang dari media, struktur multilayer graphene dapat diperoleh dengan menggunakan pensil dan pita perekat. Dan apa teknologi untuk mendapatkan graphene yang digunakan di laboratorium ilmiah?

Vladimir Fedorov: Ada beberapa metode. Salah satunya sudah dikenal sejak lama, yaitu berdasarkan penggunaan grafit oksida. Prinsipnya cukup sederhana. Grafit ditempatkan dalam larutan zat pengoksidasi tinggi (misalnya, asam sulfat, asam nitrat, dll.), Dan ketika dipanaskan, ia mulai berinteraksi dengan zat pengoksidasi. Dalam hal ini, grafit dipecah menjadi beberapa daun atau bahkan menjadi lapisan monoatomik. Tetapi monolayer yang dihasilkan bukanlah graphene, tetapi graphene teroksidasi, yang telah mengikat gugus oksigen, hidroksil, dan karboksil. Sekarang tugas utamanya adalah mengembalikan lapisan ini ke graphene. Karena partikel kecil diperoleh selama oksidasi, mereka entah bagaimana harus direkatkan untuk mendapatkan monolit. Upaya ahli kimia ditujukan untuk memahami bagaimana mungkin membuat lembaran graphene dari grafit oksida, yang teknologi produksinya diketahui.

Ada metode lain, juga cukup tradisional dan dikenal sejak lama - ini adalah pengendapan uap kimiawi dengan partisipasi senyawa gas. Esensinya adalah sebagai berikut. Pertama, zat reaksi disublimasikan ke fase gas, kemudian dilewatkan melalui substrat yang dipanaskan hingga suhu tinggi, di mana lapisan yang diinginkan diendapkan. Ketika reagen awal, misalnya metana, dipilih, ia dapat didekomposisi sedemikian rupa sehingga hidrogen dipisahkan dan karbon tetap berada di substrat. Tetapi proses ini sulit dikendalikan, dan sulit untuk mendapatkan lapisan yang ideal.

Graphene adalah salah satu modifikasi alotropik karbon

Ada metode lain yang kini mulai aktif digunakan - metode penggunaan senyawa interkalasi. Dalam grafit, seperti pada senyawa berlapis lainnya, molekul dari berbagai zat, yang disebut "molekul tamu", dapat ditempatkan di antara lapisan tersebut. Grafit adalah matriks "tuan rumah" tempat kami menyediakan "tamu". Saat tamu diselingi ke dalam jaringan tuan rumah, secara alami lapisan-lapisan tersebut dipisahkan. Inilah yang dibutuhkan: proses interkalasi memecah grafit. Senyawa interkalasi adalah prekursor yang sangat baik untuk mendapatkan graphene - Anda hanya perlu mengeluarkan "tamu" dari sana dan mencegah lapisan tersebut runtuh kembali menjadi grafit. Dalam teknologi ini, langkah penting adalah proses memperoleh dispersi koloid yang dapat diubah menjadi bahan graphene. Kami mendukung pendekatan ini di institut kami. Menurut pendapat kami, ini adalah arah yang paling maju, dari mana hasil yang sangat baik diharapkan, karena lapisan terisolasi dapat diperoleh paling sederhana dan efisien dari berbagai jenis senyawa interkalasi.

Graphene memiliki struktur yang mirip dengan sarang lebah. Dan belakangan ini menjadi topik yang sangat "manis".

Ada cara lain yang disebut sintesis kimia total. Itu terletak pada fakta bahwa "sarang madu" yang diperlukan dikumpulkan dari molekul organik sederhana. Kimia organik memiliki alat sintetik yang sangat maju, yang memungkinkan untuk memperoleh berbagai macam molekul. Oleh karena itu, metode sintesis kimia mencoba untuk mendapatkan struktur graphene. Sejauh ini, dimungkinkan untuk membuat lembaran graphene yang terdiri dari sekitar dua ratus atom karbon.

Pendekatan lain untuk sintesis graphene juga sedang dikembangkan. Meski banyak masalah, sains ke arah ini berhasil bergerak maju. Ada keyakinan besar bahwa kendala yang ada akan diatasi, dan graphene akan membawa tonggak sejarah baru dalam pengembangan teknologi tinggi.

PhD dalam Kimia Tatyana Zimina.

Hadiah Nobel Fisika 2010 diberikan untuk penelitian tentang graphene, bahan dua dimensi yang menunjukkan sifat yang tidak biasa dan pada saat yang sama sangat berguna. Penemuannya tidak hanya menjanjikan teknologi baru, tetapi juga perkembangan fisika fundamental, yang dapat menghasilkan pengetahuan baru tentang struktur materi. Pemenang Hadiah Nobel bidang fisika tahun ini adalah Andre Game dan Konstantin Novoselov, profesor di Universitas Manchester (Inggris Raya), lulusan Institut Fisika dan Teknologi Moskow.

Atom karbon dalam graphene membentuk kristal dua dimensi dengan sel heksagonal.

Peraih Nobel Fisika 2010 Andre Geim (lahir tahun 1958) adalah seorang profesor di Universitas Manchester (Inggris). Lulus dari Institut Fisika dan Teknologi Moskow, mempertahankan tesis Ph.D. di Institut Fisika Benda Padat (Chernogolo

Peraih Nobel Fisika 2010 Konstantin Novoselov (lahir tahun 1974) adalah profesor di Universitas Manchester (Inggris Raya) dan lulusan Institut Fisika dan Teknologi Moskow. Bekerja di Institute of Problems of Microelectronics Technology dan

Graphene adalah salah satu bentuk alotropik karbon. Ini pertama kali diperoleh dengan pengelupasan lapisan tipis grafit secara bertahap. Graphene, dilipat, membentuk nanotube atau fullerene.

Salah satu aplikasi graphene yang mungkin adalah penciptaan atas dasar teknologi baru untuk menguraikan struktur kimia (pengurutan) DNA. Ilmuwan dari Kavli Institute of Nanoscience (Belanda) dipimpin oleh Profesor Dekke

Graphene, bahan yang hanya setebal satu atom, dibangun dari "kisi" atom karbon yang disusun seperti sarang lebah menjadi sel heksagonal (heksagonal). Ini adalah bentuk karbon alotropik lainnya bersama dengan grafit, intan, tabung nano, dan fullerene. Bahannya memiliki konduktivitas listrik yang sangat baik, konduktivitas termal yang baik, kekuatan tinggi dan hampir sepenuhnya transparan.

Gagasan mendapatkan graphene "berbaring" dalam kisi kristal grafit, yang merupakan struktur berlapis yang dibentuk oleh lapisan atom karbon yang terikat lemah. Artinya, grafit sebenarnya dapat direpresentasikan sebagai sekumpulan lapisan graphene (kristal dua dimensi) yang saling berhubungan.

Grafit adalah bahan berlapis. Sifat inilah yang digunakan para peraih Nobel untuk mendapatkan graphene, terlepas dari kenyataan bahwa teori memprediksi (dan percobaan sebelumnya mengkonfirmasi) bahwa bahan karbon dua dimensi tidak dapat ada pada suhu kamar - ia akan berubah menjadi bentuk karbon alotropik lainnya, untuk misalnya, lipat menjadi nanotube atau menjadi fullerene bulat.

Tim ilmuwan internasional yang dipimpin oleh Andre Geim, termasuk peneliti dari Universitas Manchester (Inggris Raya) dan Institut Masalah Teknologi Mikroelektronika dan Bahan Sangat Murni (Rusia, Chernogolovka), memperoleh graphene hanya dengan mengelupas lapisan grafit. Untuk melakukan ini, pita perekat biasa direkatkan ke kristal grafit, dan kemudian dilepas: film tertipis tetap ada pada pita, di antaranya adalah lapisan tunggal. (Bagaimana mungkin Anda tidak ingat: "Segala sesuatu yang cerdik itu sederhana!") Belakangan, bahan dua dimensi lainnya diperoleh dengan menggunakan teknik ini, termasuk superkonduktor suhu tinggi Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Sekarang metode ini disebut "pemisahan mikromekanis", ini memungkinkan Anda mendapatkan sampel graphene dengan kualitas terbaik hingga ukuran 100 mikron.

Gagasan hebat lainnya dari para peraih Nobel masa depan adalah pengendapan graphene pada substrat silikon oksida (SiO 2 ). Berkat prosedur ini, graphene menjadi mungkin untuk diamati di bawah mikroskop (dari gaya optik hingga atom) dan untuk dipelajari.

Eksperimen pertama dengan bahan baru menunjukkan bahwa di tangan para ilmuwan bukan hanya bentuk lain dari karbon, tetapi kelas bahan baru dengan sifat yang tidak selalu dapat dijelaskan dari sudut pandang teori klasik fisika keadaan padat.

Bahan dua dimensi yang dihasilkan, sebagai semikonduktor, memiliki konduktivitas yang mirip dengan salah satu konduktor logam terbaik - tembaga. Elektronnya memiliki mobilitas yang sangat tinggi, yang dikaitkan dengan kekhasan struktur kristalnya. Jelas, kualitas graphene ini, ditambah dengan ketebalan nanometernya, menjadikannya kandidat bahan yang dapat menggantikan elektronik, termasuk komputer berkecepatan tinggi di masa depan, silikon yang tidak memenuhi permintaan saat ini. Para peneliti percaya bahwa kelas baru nanoelektronik graphene dengan ketebalan transistor dasar tidak lebih dari 10 nm (transistor efek medan telah diperoleh pada graphene) tidak jauh.

Sekarang fisikawan sedang bekerja untuk lebih meningkatkan mobilitas elektron dalam graphene. Perhitungan menunjukkan bahwa keterbatasan mobilitas pembawa muatan di dalamnya (dan karenanya konduktivitas) dikaitkan dengan adanya pengotor bermuatan dalam substrat SiO 2. Jika seseorang mempelajari cara mendapatkan film graphene "yang tergantung bebas", maka mobilitas elektron dapat ditingkatkan dengan dua kali lipat - hingga 2×10 6 cm 2 /V. Dengan. Eksperimen semacam itu sudah berlangsung, dan cukup berhasil. Benar, film dua dimensi yang ideal dalam keadaan bebas tidak stabil, tetapi jika dideformasi dalam ruang (yaitu, tidak rata sempurna, tetapi, misalnya, bergelombang), maka stabilitas dipastikan untuk itu. Film semacam itu dapat digunakan, misalnya, untuk membuat sistem nanoelektromekanis - sensor gas yang sangat sensitif yang mampu merespons bahkan satu molekul yang muncul di permukaannya.

Kemungkinan aplikasi graphene lainnya: dalam elektroda superkapasitor, dalam sel surya, untuk pembuatan berbagai bahan komposit, termasuk bahan ultralight dan berkekuatan tinggi (untuk penerbangan, pesawat ruang angkasa, dll.), dengan konduktivitas tertentu. Yang terakhir bisa sangat berbeda. Misalnya, bahan graphane disintesis, yang, tidak seperti graphene, adalah isolator (lihat "Sains dan Kehidupan" No.). Itu diperoleh dengan melampirkan atom hidrogen ke setiap atom karbon dari bahan awal. Penting bahwa semua sifat bahan awal - graphene - dapat dipulihkan dengan pemanasan sederhana (anil) graphane. Pada saat yang sama, graphene ditambahkan ke plastik (isolator) mengubahnya menjadi konduktor.

Transparansi graphene yang hampir lengkap menunjukkan penggunaannya di layar sentuh, dan jika kita mengingat "ketipisannya", maka prospek penggunaannya untuk komputer fleksibel di masa depan (yang dapat digulung seperti koran), gelang jam tangan, panel cahaya lembut adalah dimengerti.

Tetapi aplikasi material apa pun memerlukan produksi industrinya, yang metode pemisahan mikromekanis yang digunakan dalam penelitian laboratorium tidak sesuai. Oleh karena itu, sejumlah besar cara lain untuk mendapatkannya kini sedang dikembangkan di dunia. Metode kimia untuk memperoleh graphene dari mikrokristal grafit telah diusulkan. Salah satunya, misalnya, menghasilkan graphene yang tertanam dalam matriks polimer. Deposisi uap, pertumbuhan pada tekanan dan suhu tinggi, pada substrat silikon karbida juga dijelaskan. Dalam kasus terakhir, yang paling cocok untuk produksi industri, film dengan sifat graphene dibentuk oleh dekomposisi termal lapisan permukaan substrat.

Nilai materi baru untuk pengembangan penelitian fisik sangat luar biasa. Seperti yang ditunjukkan oleh Sergei Morozov (Institut untuk Masalah Teknologi Mikroelektronika dan Bahan Sangat Murni dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia), Andre Geim dan Konstantin Novoselov menunjukkan dalam artikel mereka yang diterbitkan pada tahun 2008 di jurnal Uspekhi fizicheskikh nauk, “sebenarnya, graphene membuka sebuah paradigma ilmiah baru - fisika "relativistik" dari keadaan padat, di mana fenomena relativistik kuantum (beberapa di antaranya tidak dapat diwujudkan bahkan dalam fisika energi tinggi) sekarang dapat dipelajari dalam kondisi laboratorium biasa ... Untuk pertama kalinya dalam keadaan padat -eksperimen keadaan, semua nuansa dan keragaman elektrodinamika kuantum dapat dieksplorasi. Artinya, kita berbicara tentang fakta bahwa banyak fenomena, studi yang membutuhkan pembangunan akselerator partikel besar, sekarang dapat diselidiki dipersenjatai dengan alat yang jauh lebih sederhana - bahan tertipis di dunia.

Komentar ahli

Kami berpikir tentang transistor efek medan ...

Para editor meminta kolega dan rekan penulis mereka untuk mengomentari hasil karya peraih Nobel Andre Geim dan Konstantin Novoselov. Sergei Morozov, Kepala Laboratorium Institut Masalah Teknologi Mikroelektronika dan Bahan Kemurnian Tinggi Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia (Chernogolovka), menjawab pertanyaan dari Tatyana Zimina, koresponden Sains dan Kehidupan.

Bagaimana ide mendapatkan bahan karbon dua dimensi muncul? Sehubungan dengan apa? Apakah Anda mengharapkan sifat yang tidak biasa dari bentuk karbon ini?

Awalnya kami tidak memiliki tujuan untuk mendapatkan bahan dua dimensi dari semi logam, kami mencoba membuat transistor efek medan. Logam, bahkan setebal satu atom, tidak cocok untuk ini - mereka memiliki terlalu banyak elektron bebas. Pertama, kami mendapatkan sejumlah bidang atom yang dapat dihitung dari kristal grafit, kemudian kami mulai membuat pelat yang semakin tipis hingga kami mendapatkan lapisan atom tunggal, yaitu graphene.

Graphene telah dipertimbangkan oleh para ahli teori sejak lama, sejak pertengahan abad ke-20. Mereka juga memperkenalkan nama bahan karbon dua dimensi. Itu adalah graphene yang para ahli teori (jauh sebelum produksi eksperimentalnya) menjadi titik awal untuk menghitung sifat-sifat bentuk karbon lainnya - grafit, tabung nano, fullerene. Ini juga yang paling baik dijelaskan secara teoritis. Tentu saja, ahli teori sama sekali tidak mempertimbangkan efek apa pun yang sekarang ditemukan secara eksperimental. Elektron dalam graphene berperilaku seperti partikel relativistik. Tapi tidak ada yang pernah berpikir untuk mempelajari seperti apa efek Hall dalam kasus partikel relativistik. Kami menemukan jenis baru efek kuantum Hall, yang merupakan salah satu konfirmasi mencolok pertama dari keunikan subsistem elektronik di graphene. Hal yang sama dapat dikatakan tentang paradoks Klein yang melekat pada graphene, yang diketahui dari fisika energi tinggi. Dalam semikonduktor atau logam tradisional, elektron dapat menembus penghalang potensial, tetapi dengan probabilitas jauh lebih kecil dari satu. Dalam graphene, elektron (seperti partikel relativistik) menembus tanpa refleksi bahkan melalui penghalang potensial yang sangat tinggi.

Mengapa diyakini bahwa bahan karbon dua dimensi (graphene) tidak stabil pada suhu kamar? Lalu bagaimana Anda mendapatkannya?

Karya awal para ahli teori, yang menunjukkan ketidakstabilan material dua dimensi, mengacu pada sistem dua dimensi ideal yang tak terhingga. Pekerjaan selanjutnya menunjukkan bahwa dalam sistem dua dimensi, tatanan jarak jauh masih bisa ada (yang melekat pada benda kristal. - Ed.) pada suhu terbatas (suhu ruangan untuk kristal adalah suhu yang cukup rendah). Namun, graphene asli dalam suspensi, tampaknya tidak rata sempurna, ia sedikit bergelombang - ketinggian tanjakan di dalamnya berukuran nanometer. Dalam mikroskop elektron, "gelombang" ini tidak terlihat, tetapi ada konfirmasi lain tentangnya.

Graphene adalah semikonduktor, jika saya mengerti dengan benar. Tapi di sana-sini saya menemukan definisi - semi-logam. Kelas bahan apa yang dimilikinya?

Semikonduktor memiliki celah pita dengan lebar tertentu. Graphene memiliki nol. Jadi itu bisa disebut semikonduktor celah pita nol atau semimetal tumpang tindih pita nol. Artinya, ia menempati posisi tengah antara semikonduktor dan semilogam.

Di beberapa tempat dalam literatur populer, bahan dua dimensi lainnya disebutkan. Sudahkah grup Anda mencoba salah satu dari ini?

Secara harfiah setahun setelah memperoleh graphene, kami memperoleh bahan dua dimensi dari kristal berlapis lainnya. Ini adalah, misalnya, boron nitrida, beberapa dikalkogenida, superkonduktor suhu tinggi Bi-Sr-Ca-Cu-O. Mereka tidak mengulangi sifat graphene - beberapa di antaranya umumnya dielektrik, yang lain memiliki konduktivitas yang sangat rendah. Banyak kelompok penelitian di dunia terlibat dalam studi bahan dua dimensi. Sekarang kami menggunakan boron nitrida sebagai substrat untuk struktur graphene. Ternyata ini secara radikal meningkatkan sifat graphene. Juga, jika kita berbicara tentang penggunaan graphene untuk membuat material komposit, boron nitride adalah salah satu pesaing utamanya di sini.

- Apa metode yang paling menjanjikan untuk memproduksi graphene?

Menurut pendapat saya, sekarang ada dua metode utama tersebut. Yang pertama adalah pertumbuhan pada permukaan film dari beberapa logam tanah jarang, serta tembaga dan nikel. Kemudian graphene harus dipindahkan ke substrat lain, dan ini telah dipelajari untuk dilakukan. Teknologi ini bergerak ke tahap pengembangan komersial.

Metode lain tumbuh pada silikon karbida. Tapi alangkah baiknya mempelajari cara menumbuhkan graphene pada silikon, tempat semua elektronik modern dibangun. Kemudian pengembangan perangkat graphene akan berjalan dengan pesat, karena elektronik graphene secara alami akan memperluas fungsionalitas mikroelektronika tradisional.