Premio Nobel per la scoperta dell'agrafene. Come i “fisici spazzatura” russi hanno ricevuto il Premio Nobel

Sono stati annunciati a Stoccolma i nomi dei vincitori del Premio Nobel 2010 per la fisica. Erano il professor Andrei Geim e il professor Konstantin Novoselov. Entrambi i vincitori, che lavorano presso l'Università britannica di Manchester, provengono dalla Russia. Andrey Geim, 52 anni, è cittadino olandese e Konstantin Novoselov, 36 anni, ha la cittadinanza russa e britannica.

Il premio scientifico più prestigioso al mondo, del valore quest'anno di circa 1,5 milioni di dollari, è stato assegnato agli scienziati per la scoperta del grafene, un materiale ultrasottile ed estremamente resistente, che è una pellicola di carbonio spessa un atomo.

Il redattore scientifico della rivista Around the World, Alexander Sergeev, parla a Radio Liberty delle difficoltà sorte nella scoperta del grafene e di quale sia l'applicazione pratica di questo materiale:

Il fatto stesso che gli scienziati abbiano ottenuto il grafene è notevole. Teoricamente, il grafene era stato previsto mezzo secolo prima della sua sintesi. A scuola, tutti hanno studiato la struttura della grafite: questa è una matita normale. L'atomo di carbonio forma strati sottili che vengono ripetutamente sovrapposti uno sopra l'altro. Ogni strato è costituito da celle esagonali che si incastrano come un nido d'ape.

Il problema era separare uno strato da quelli sopra e sotto. Per un singolo strato di questo cristallo bidimensionale, così chiamato perché non ha una terza dimensione, sono state previste una serie di diverse proprietà fisiche interessanti. Sono stati effettuati molti esperimenti. Ma non è stato possibile separare uno strato da tutti gli altri con un risultato stabile.

Andrey Geim e Konstantin Novoselov hanno escogitato un modo per selezionare questo livello e successivamente assicurarsi che fosse davvero uno. Gli scienziati hanno quindi potuto misurarne le proprietà fisiche e verificare che le previsioni teoriche fossero più o meno corrette. Questo esperimento è molto semplice: gli scienziati hanno preso una matita normale, un pezzo di grafite. Usando del nastro adesivo, hanno rimosso lo strato di grafite e poi hanno iniziato a staccarlo. Quando rimanevano 1-2 strati, la grafite veniva trasferita su un substrato di silicio.

Perché tutti gli esperimenti precedenti sono falliti? Perché (e questo era previsto in teoria) il film di grafene, un cristallo di carbonio bidimensionale, è instabile alla torsione. Non appena sarà in uno stato libero, inizierà immediatamente ad accartocciarsi. Si credeva addirittura che fosse impossibile isolare il grafene. Il lavoro degli scienziati è terminato nel 2004 e nel 2009 era già stato ottenuto un pezzo di grafene. Cioè un foglio di grafene grande quasi un centimetro. E ora parliamo di decine di centimetri.

- Perché è necessario questo grafene?

Tutta l'elettronica si sta ora muovendo nella direzione di ridurre le dimensioni degli elementi: transistor, elettrodi, ecc. Più piccoli sono gli elementi all'interno del processore, più elementi possono essere inseriti al suo interno e più potente può essere assemblato il processore. Di conseguenza, eseguirà operazioni logiche più complesse. Cosa potrebbe essere più sottile di uno strato atomico? Il grafene ha la proprietà di essere sottile.

Inoltre, conduce l'elettricità. E - quasi trasparente. Allo stesso tempo è piuttosto resistente: è uno dei materiali più resistenti per strato atomico. Praticamente non consente il passaggio di altre sostanze. Persino il gas elio non può penetrare nel grafene, quindi è un rivestimento completamente affidabile. Può essere utilizzato, ad esempio, nei touch screen perché l'elettrodo trasparente non oscura l'immagine. Puoi provare a usarlo nell'elettronica. Ora stanno cercando di sviluppare transistor basati sul grafene. È vero, ci sono difficoltà qui. Il grafene ha proprietà anomale che rendono alquanto difficile il suo utilizzo nei transistor. Ma dopo aver imparato come ottenere gli strati atomici, probabilmente questi sono già ostacoli superabili. Questo è un materiale fondamentalmente nuovo. Non c'è mai stato niente di simile prima. Il monostrato di conduttore più sottile che può essere utilizzato nella tecnologia e nell'elettronica.

I nuovi premi Nobel hanno una biografia piuttosto complessa. Uno di loro è cittadino olandese, l'altro ha due passaporti: britannico e russo. Lavoravano, per quanto ne sappiamo, in un centro di ricerca a Manchester, in Inghilterra. La scienza sta diventando internazionale o è il triste destino degli scienziati russi fare grandi scoperte solo se viaggiano all'estero?

Per impegnarsi in un serio lavoro scientifico, è necessaria non solo una base materiale e tecnica, ma anche semplicemente tranquillità. Uno scienziato non dovrebbe essere confuso da nessuna domanda. Andrey Geim ha ricevuto il premio Ig Nobel 10 anni fa per i suoi esperimenti sulla levitazione magnetica delle rane. Il Premio Ig Nobel è un anti-premio comico per lavori senza senso. Uno scienziato ha bisogno di una certa libertà nelle sue attività. Poi nascono le idee. Oggi ho fatto levitare le rane e domani prenderò il grafene.

Se una persona ha tali condizioni, lavora in modo più efficiente. Dopotutto, entrambi gli attuali premi Nobel per la fisica hanno studiato al MIPT (Istituto di fisica e tecnologia di Mosca - RS). E ben presto partirono per l'Olanda, per la Gran Bretagna, perché lì il clima di lavoro è più favorevole per reperire i fondi scientifici necessari per condurre la ricerca. Hanno strappato le pellicole di carbonio con del nastro adesivo, ma hanno dovuto misurarle con un microscopio a forza atomica. Quindi doveva esserci questo microscopio. In Russia, ovviamente, esistono, ma è molto più difficile accedervi.

Se dico che la Russia ha una buona istruzione di base, che le consente di produrre premi Nobel, ma allo stesso tempo non esiste una seria base scientifica ad alta tecnologia per gli esperimenti, sarà vero?

Come in ogni generalizzazione, anche qui c’è una certa forzatura. La nostra istruzione non è più così buona e agevole, perché in molti luoghi le scuole scientifiche vengono distrutte. La grande svolta lavorativa degli anni '90 ha avuto il suo effetto. Ci sono alcune scuole in Russia dove tutto va ancora molto bene, ma ci sono problemi con le attrezzature e con la conduzione di ricerche serie e costose. Questa attrezzatura finisce da qualche parte: di tanto in tanto vengono effettuati acquisti piuttosto seri, ad esempio all'Istituto Kurchatov. Ma quanto efficacemente venga utilizzato è una grande domanda. Pertanto, in alcuni luoghi esiste una forte scuola scientifica e in altri ci sono fondi per la tecnologia. È abbastanza difficile scambiarli tra loro per ragioni di prestigio e burocrazia. In Russia è possibile anche una ricerca di alto livello, ma è molto più difficile da condurre: qui l'ambiente di lavoro è più difficile.

La ricerca scientifica è multiforme. Ma ci sono alcuni ambiti che il Comitato Nobel definisce rivoluzionari? Per cosa è più facile ottenere un premio Nobel? Oppure non esistono indicazioni del genere?

Ho guardato l'elenco dei vincitori del Premio Nobel per la fisica negli ultimi 20 anni. Non esiste una tendenza chiara. Probabilmente ci sono parecchi premi nel campo della fisica delle particelle elementari e delle interazioni fisiche fondamentali. Questo è comprensibile: lì svolgono un lavoro piuttosto interessante. Ma qui dobbiamo tenere conto di un punto importante. Si dice spesso che per vincere un premio Nobel non sia sufficiente fare un lavoro rivoluzionario. Dobbiamo ancora vivere fino al momento in cui sarà apprezzata. Pertanto, il Premio Nobel viene solitamente assegnato a persone in età molto avanzata. Da questo punto di vista il Premio Nobel per la Fisica di quest'anno rappresenta un'eccezione alla regola. Novoselov ha ora 36 anni. Negli ultimi 20 anni non si è verificato un caso del genere tra i premi di fisica e, secondo me, non è mai successo affatto! Negli ultimi 8 anni, nessuno scienziato sotto i 50 anni ha ricevuto un premio Nobel, e molti lo hanno ricevuto a 70 o addirittura 80 anni per il lavoro svolto decenni fa.

L’attuale Premio Nobel è stato assegnato violando le regole. Forse il Comitato per il Nobel ha ritenuto che il premio stesse diventando gerontologico e che l'età per riceverlo dovesse essere abbassata. L’ultima volta che il premio per la fisica è stato assegnato ad un’età “giovane” è stato nel 2001. I vincitori avevano tra i 40 e i 50 anni.

Ora, a quanto pare, l’attenzione è stata spostata sul lavoro sperimentale vero e proprio. Quindi, sebbene il Premio Nobel non includa l’astronomia, negli ultimi 10 anni ci sono stati due premi molto importanti nell’astrofisica. C'erano premi nella fisica delle alte energie e nella fisica delle particelle elementari, nella fisica dello stato solido, nella fisica della materia condensata, cioè negli stati solido, liquido e in altri stati in cui gli atomi sono vicini l'uno all'altro. Quasi tutti questi lavori sono, in un modo o nell'altro, legati alla fisica quantistica.

- Perché esattamente la teoria quantistica? Ciò è legato ad alcune preferenze personali dei membri del Comitato per il Nobel? O è davvero questo il prossimo futuro scientifico?

La ragione è molto semplice. In effetti, tutta la fisica odierna, tranne la teoria della gravità, è quantistica. Quasi tutto ciò che di nuovo viene fatto nel campo della fisica, ad eccezione di alcune direzioni collaterali, miglioramenti e scoperte avvenute nel passato, si basa sulla fisica quantistica. Solo la gravità non ha ancora ceduto a questa “quantizzazione”. E tutto ciò che riguarda i fondamenti della fisica è teoria quantistica e teoria quantistica della materia.

Chi è lui? Novoselov Konstantin Sergeevich!

Biografia

Il famoso scienziato è nato nella città di Nizhny Tagil, nella regione di Sverdlovsk, il 23 agosto 1974 nella famiglia di un ingegnere e insegnante di inglese alla scuola n. 39, il cui fondatore e direttore un tempo era suo nonno, Viktor Konstantinovich Novoselov.

Mentre era in prima media, Konstantin rivela abilità straordinarie e conquista il primo posto alle Olimpiadi regionali di fisica, e poco dopo, alle Olimpiadi di tutta l'Unione, ripete il suo successo, entrando nella top ten. Nel 1991 si è laureato presso la Scuola aggiuntiva di Fisica e Tecnologia per corrispondenza e nello stesso anno è diventato studente presso l'Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca. Studia nella specialità "nanotecnologia" presso la Facoltà di elettronica fisica e quantistica e si diploma con lode presso l'istituto, dopo di che viene assunto presso l'Istituto per i problemi della tecnologia microelettronica dell'Accademia russa delle scienze (Istituto per i problemi della microelettronica Tecnologia dell'Accademia Russa delle Scienze) a Chernogolovka. Lì ha completato i suoi studi universitari sotto la guida di Yuri Dubrovsky.

All'estero

Nel 1999, Konstantin Sergeevich Novoselov, un fisico con una reputazione già consolidata, si trasferì nei Paesi Bassi. Lì, all'Università di Nijmegen, lavora insieme ad Andrei Geim. Dal 2001, gli scienziati lavorano insieme presso l'Università di Manchester. Nel 2004 ha conseguito il titolo di Dottore in Filosofia (supervisore Jan-Kees Maan).

Al momento, Konstantin Sergeevich Novoselov è professore alla Royal Society e professore di scienze fisiche e matematiche all'Università di Manchester e ha la doppia cittadinanza (Russia e Gran Bretagna). Attualmente vive a Manchester.

Ricerca

Per cosa è famoso Konstantin Sergeevich Novoselov? Secondo l'agenzia di analisi Thomson Reuters, il fisico russo-britannico è uno degli scienziati più citati. Dalla sua penna sono usciti 190 articoli scientifici. Tuttavia, la sua ricerca più significativa riguarda, ovviamente, il grafene. Molti hanno sentito questa parola, che sembra semplice e familiare. La tecnologia è davvero laconica ed elegante, come ogni cosa ingegnosa. Ulteriori studi potrebbero portare l’umanità nell’era dei dispositivi mobili e informatici ultraveloci e ultrasottili, delle auto elettriche e di strutture durevoli ma molto leggere.

Premi

Quando Konstantin Sergeevich Novoselov iniziò a lavorare all'Università di Manchester, il suo collega senior dalla Russia divenne il suo supervisore. A quel tempo, era impegnato da molto tempo nella ricerca in questo settore ed era riuscito a riprodurre il meccanismo di adesione delle zampe del geco, e sulla base di esso creò il nastro adesivo, che i fisici successivamente usarono per lavorare con il grafene. Prima di ciò, Geim era stato aiutato da un certo studente cinese, ma, secondo lo stesso fisico, il lavoro iniziò a progredire solo dopo che Konstantin Sergeevich Novoselov si mise al lavoro. Il Premio Nobel è stato loro assegnato nell'ottobre 2010. Novoselov è oggi conosciuto come il più giovane premio Nobel per la fisica (negli ultimi 37 anni); inoltre, al momento è l’unico scienziato tra i premi Nobel nato dopo il 1970.

Nello stesso 2010, Novoselov ha ricevuto il titolo di Comandante dell'Ordine del Leone dei Paesi Bassi per il suo significativo contributo alla scienza nei Paesi Bassi, e poco dopo, nel 2011, un decreto della Regina Elisabetta II lo ha nominato cavaliere scapolo, già da il suo contributo alla scienza in Gran Bretagna. La cerimonia di nomina a cavaliere si è svolta poco dopo, nella primavera del 2012, come previsto, a Buckingham Palace. Era guidato dalla figlia della regina, la principessa Anna.

Va detto che Konstantin Sergeevich Novoselov, le cui attività scientifiche e sociali sono molto estese, ha ricevuto un altro prestigioso premio per la ricerca sul grafene, diventando il vincitore del Premio Eurofisica nel 2008. Viene assegnato ogni due anni; tra i suoi destinatari c'erano solo tredici premi Nobel. Il premio consiste in un premio in denaro e un certificato corrispondente. Ha anche ricevuto il Premio Kurti, ma non per il grafene, ma per un elenco di risultati ottenuti nel lavoro con le basse temperature e i campi magnetici.

Sulla famiglia e sulla vita

Konstantin Novoselov è felicemente sposato con sua moglie Irina. Sebbene anche lei sia russa, gli scienziati si sono incontrati all'estero, nei Paesi Bassi. Irina, originaria di Vologda, è impegnata nella ricerca nel campo della microbiologia (ha difeso la sua tesi a San Pietroburgo). La coppia ha due figlie, le gemelle Sophia e Vika, nate nel 2009.

Konstantin Sergeevich, secondo le sue stesse parole, non è il tipo di padre che resta seduto in laboratorio per settimane, perdendosi l'infanzia dei propri figli. Per lui inventare il transistor più piccolo del mondo e insegnare a sua figlia a contare fino a ventisette è qualcosa di pari. “Nessuno lo ha mai fatto prima”, dice.

A loro volta, i suoi genitori non hanno mai cercato di limitare gli interessi del figlio. Erano sempre sicuri che il loro figlio fosse molto dotato e, come dice lo stesso fisico, non furono sorpresi quando ricevette il Premio Nobel.

In un'intervista per la rivista Esquire, ha ammesso che sogna di imparare a suonare il piano. Sta studiando, però, per sua stessa ammissione, i risultati sono ancora mediocri.

A proposito dell'URSS

Konstantin Sergeevich è nato in URSS e ha ricevuto un'istruzione eccellente. Lui stesso ammette che in pochi posti si può ottenere una conoscenza così profonda. Ma non ha intenzione di tornare in Russia. Forse è proprio per questo che alcuni giornalisti gli rimproverano involontariamente la sua mancanza di patriottismo. A questo, lo scienziato risponde che non è una questione di soldi, è solo che in Gran Bretagna è più tranquillo lavorare, perché nessuno interferisce nei tuoi affari.

Novoselov prende la vita con leggerezza e non si sofferma sui fallimenti: questa è una delle sue regole di base. Se sorgono difficoltà nei rapporti con le persone, cerca di non portare ad una rottura, ma, se ciò è inevitabile, lascia all'altra persona l'ultima parola. Il famoso fisico ha molti dei soliti problemi della vita, ad esempio sarebbe disposto a spendere qualsiasi soldo pur di avere un po' di tempo libero.

Ma non divide la sua vita in lavoro e riposo; forse questa è la chiave della produttività dello scienziato. A casa pensa alla fisica e al lavoro semplicemente rilassa la sua anima.

Cos'è il grafene

Nonostante, ovviamente, tutti i risultati ottenuti nel campo della fisica, il lavoro principale di Novoselov era e rimane tuttora il grafene. Questa struttura, che i nostri compatrioti furono i primi a ottenere in laboratorio, è una “rete” bidimensionale di atomi di carbonio spessa solo un atomo. Lo stesso Novoselov afferma che la tecnologia non è complicata e chiunque può creare il grafene, quasi con mezzi improvvisati. Dice che tutto quello che devi fare è comprare una buona grafite, anche se puoi anche usare le matite, e spendere un po' in wafer di silicio e nastro adesivo. Questo è tutto, il kit per creare il grafene è pronto! Pertanto, il materiale non diventerà proprietà esclusivamente di grandi società; Novoselov e Game lo hanno letteralmente regalato al mondo intero.

Proprietà sorprendenti

Il fisico è sorpreso anche dalle proprietà elettroniche di questo materiale. Secondo lui, il grafene può essere utilizzato nei transistor, cosa che alcune aziende stanno già cercando di fare, sostituendo le parti convenzionali nei dispositivi mobili.

Secondo Novoselov il grafene rivoluzionerà la tecnologia. Parte integrante di qualsiasi film di fantascienza sono gadget incredibili, trasparenti, sottili, infrangibili e con grande funzionalità. Se il grafene sostituirà gradualmente il silicio obsoleto, le tecnologie del cinema appariranno nella vita.

Cos'altro c'è di straordinario nella ricerca di Novoselov e Geim? Il fatto che siano passati quasi istantaneamente dai laboratori alle catene di montaggio, e anche di più, si è rivelato molto utile già nei primi anni.

Tecnologie future

Dove viene utilizzato il grafene adesso? Sembrerebbe che il materiale scoperto di recente non possa ancora essere ampiamente distribuito, e in una certa misura questo è vero. Quasi tutti gli sviluppi sono ancora di natura sperimentale e non sono stati immessi nella produzione di massa. Tuttavia, ora stanno cercando di utilizzare questo materiale letteralmente in tutti i settori, il che, forse, può essere definito una vera e propria “febbre del grafene”.

Il grafene stesso, nonostante la sua leggerezza e la trasparenza quasi completa (assorbe il 2% della luce trasmessa, esattamente come il normale vetro delle finestre), il materiale è molto resistente. Recenti studi condotti da scienziati americani hanno dimostrato che il grafene si mescola bene con la plastica. Ciò si traduce in un materiale super resistente che può essere utilizzato in qualsiasi cosa, dai mobili e telefoni cellulari alla scienza missilistica.

Dal grafene sono già stati realizzati prototipi di batterie per auto elettriche. Sono caratterizzati da elevata capacità e breve tempo di ricarica. Forse è così che verrà risolto il problema delle auto elettriche e i trasporti diventeranno economici ed ecologici.

Il grafene viene utilizzato nello sviluppo di nuovi pannelli touch per telefoni. Se i sensori classici possono funzionare solo su una superficie piana, il grafene non presenta questo inconveniente, perché può essere piegato in qualsiasi modo. Inoltre, l'elevata conduttività elettrica renderà la risposta minima.

Nell'aviazione

I corpi dei razzi e degli aerei realizzati con il grafene saranno molte volte più leggeri, il che ridurrà notevolmente i costi del carburante. I voli diventeranno così economici che tutti potranno permettersi un viaggio dall’altra parte della terra. Ma oltre al trasporto passeggeri ciò influenzerà ovviamente anche il traffico merci. L’offerta agli angoli più remoti del pianeta migliorerà notevolmente, il che significa che più persone vivranno e lavoreranno lì.

MOSCA, 5 ottobre - RIA Novosti. Il Premio Nobel per la fisica 2010 è diventato una vacanza per due paesi contemporaneamente, per la patria dei vincitori, la Russia, e per la loro attuale casa, la Gran Bretagna. Gli accademici svedesi hanno assegnato il più alto riconoscimento scientifico ad Andrei Geim e Konstantin Novoselov per la scoperta di una forma bidimensionale di carbonio-grafene, facendo sì che gli scienziati russi lamentassero una fuga di cervelli e quelli britannici sperassero nella conservazione dei finanziamenti scientifici.

"È un peccato che Geim e Novoselov abbiano fatto le loro scoperte all'estero", ha detto il capo del Dipartimento di fisica dei polimeri e dei cristalli dell'Università statale di Mosca della RIA Novosti, accademico dell'Accademia delle scienze russa Alexey Khokhlov.

"Il governo dovrebbe imparare dalla decisione del Comitato per il Nobel", ha affermato il professor Martin Rees, presidente della Royal Society, commentando l'assegnazione del Premio Nobel per la fisica. Ha ricordato che molti scienziati, compresi quelli stranieri, che lavorano in Gran Bretagna, potrebbero semplicemente partire per altri paesi se i finanziamenti vengono ridotti.

Il governo britannico svelerà i piani per importanti tagli alla spesa pubblica il 20 ottobre. Si prevede che la scienza e l’istruzione superiore saranno uno dei settori più colpiti dai tagli.

I laureati del MIPT Geim e Novoselov, che lavorano a Manchester, hanno ricevuto il premio “per esperimenti innovativi nello studio del materiale bidimensionale grafene”. Si divideranno tra loro 10 milioni di corone svedesi (circa un milione di euro). La cerimonia di premiazione avrà luogo a Stoccolma il 10 dicembre, giorno della morte del suo fondatore, Alfred Nobel.

Il grafene è diventato il primo materiale bidimensionale della storia, costituito da un singolo strato di atomi di carbonio interconnessi da una struttura di legami chimici, che ricorda nella sua geometria la struttura di un nido d'ape. Per molto tempo si è creduto che una simile struttura fosse impossibile.

"Si credeva che tali cristalli bidimensionali a strato singolo non potessero esistere. Devono perdere stabilità e trasformarsi in qualcos'altro, perché questo è in realtà un piano senza spessore", l'ex capo dei vincitori, direttore dell'Istituto per i Problemi della Tecnologia Microelettronica e dei Materiali Altamente Puri dell'Accademia Russa delle Scienze (IPTM) ha dichiarato a RIA Novosti Vyacheslav Tulin.

Tuttavia, il materiale “impossibile”, a quanto pare, ha proprietà fisiche e chimiche uniche che lo rendono indispensabile in una varietà di campi. Il grafene conduce elettricità così come il rame; può essere utilizzato per creare touch screen, celle solari e dispositivi elettronici flessibili.

"Questa è una futura rivoluzione nella microelettronica. Se ora i computer sono gigahertz, allora ci saranno terahertz e così via. I transistor e tutti gli altri elementi dei circuiti elettronici saranno creati sulla base del grafene", Alexey Fomichev, professore al MIPT dipartimento di elettronica quantistica, ha detto a RIA Novosti.

Il grafene ha già trovato un campo di applicazione: le celle solari fotovoltaiche. "In precedenza, nella produzione di celle solari, gli ossidi di indio drogati con stagno venivano utilizzati come elettrodo trasparente. Ma si è scoperto che diversi strati di grafene sono molto più efficaci", ha affermato Alexander Vul, capo del laboratorio di fisica delle strutture a grappolo. presso l'Istituto fisico-tecnico Ioffe di San Pietroburgo dell'Accademia russa delle scienze.

Innanzitutto da Fisica e Tecnologia

Andrei Geim e Konstantin Novoselov sono i primi laureati dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca a ricevere il Premio Nobel: prima di allora, i fondatori e dipendenti del MIPT - Pyotr Kapitsa, Nikolai Semenov, Lev Landau, Igor Tamm, Alexander Prokhorov, Nikolai Basov , Vitaly Ginzburg e Alexey Abrikosov. Geim si è laureato alla Facoltà di Fisica Generale e Applicata (GPPF) nel 1982, Novoselov alla Facoltà di Elettronica Fisica e Quantistica (FFQE) nel 1997. Entrambi i laureati hanno ricevuto diplomi con lode.

"Questa è una notizia fantastica. Siamo molto soddisfatti della decisione del Comitato per il Nobel. Il MIPT ha già inviato congratulazioni ai nuovi premi Nobel", ha detto martedì a RIA Novosti il ​​rettore del MIPT Nikolai Kudryavtsev.

Secondo il rettore, il personale “ha recuperato i propri fascicoli personali dall’archivio e si è convinto che si trattasse di studenti eccezionali”. Allo stesso tempo, Andrei Geim non è entrato nell'istituto per la prima volta, avendo lavorato in fabbrica per un anno, ma "ha mostrato tenacia" ed è diventato uno studente del MIPT.

"Durante l'intero periodo dei suoi studi all'FOPF, Geim ha ricevuto le migliori recensioni da parte degli insegnanti. E il lavoro di diploma di Geim è stato valutato eccezionalmente alto dalla commissione di laurea", ha detto il capo del MIPT.

Uno studente del 152 ° gruppo della Facoltà di elettronica fisica e quantistica, Konstantin Novoselov, come ha osservato Kudryavtsev, "ha frequentato le lezioni in modo irregolare, ma ha superato tutti i compiti con successo e in tempo".

"E anche le recensioni di Novoselov da parte degli insegnanti sono le più alte. Ciò significa che era così talentuoso che, in generale, non doveva frequentare tutte le lezioni", ha commentato il rettore del MIPT sui documenti d'archivio.

Da Shnobel al Nobel

Collega di gioco, Konstantin Novoselov, è diventato il più giovane premio Nobel con cittadinanza russa: il fisico 36enne è sei anni più giovane del suo collega sovietico Nikolai Basov, che, a 42 anni, ricevette il premio nel 1964 per il suo lavoro nel campo dell'elettronica quantistica, che portò alla la realizzazione di emettitori ed amplificatori basati sul principio laser-maser.

Il più giovane vincitore del Premio Nobel nella storia è stato Lawrence Bragg, che all'età di 25 anni condivise il premio per la fisica con suo padre, William Henry Bragg. Le successive quattro posizioni nella lista dei vincitori più giovani della storia sono occupate anche da fisici: Werner Heisenberg, Zongdao Li, Carl Anderson e Paul Dirac hanno ricevuto il premio a 31 anni.

Konstantin Novoselov, invece, passerà alla storia del premio come il primo rappresentante della generazione nata negli anni '70. Secondo il sito web del premio, l'elenco dei vincitori del decennio precedente comprende il fisico Eric Cornell, i biologi Carol Greider e Craig Mello, nonché il presidente degli Stati Uniti Barack Obama, che ha ricevuto il Premio Nobel per la pace. Non c'è nessuno più giovane del 1961, tranne Novoselov, nell'elenco dei vincitori.

Dall'editore: Toccando il tema della modernizzazione dell'economia russa e dello sviluppo delle alte tecnologie nel nostro paese, ci siamo posti il ​​compito non solo di attirare l'attenzione dei lettori sulle carenze, ma anche di parlare di esempi positivi. Inoltre, ce ne sono e parecchi. La settimana scorsa abbiamo parlato dello sviluppo delle celle a combustibile in Russia, e oggi parleremo del grafene, per aver studiato le proprietà di cui il "nostro ex popolo" ha recentemente ricevuto un premio Nobel. Si scopre che in Russia, o più precisamente a Novosibirsk, stanno lavorando molto seriamente su questo materiale.

Il silicio, come base della microelettronica, ha conquistato saldamente una posizione nello spazio high-tech, e ciò non è avvenuto per caso. Innanzitutto è relativamente semplice conferire al silicio le proprietà desiderate. In secondo luogo, è noto alla scienza da molto tempo ed è stato studiato in lungo e in largo. Il terzo motivo è che nella tecnologia del silicio sono state investite davvero enormi quantità di denaro e poche persone ora oseranno scommettere sul nuovo materiale. Dopotutto, ciò richiederà la ricostruzione di un enorme settore industriale. O meglio, costruiscilo quasi da zero.

Tuttavia, ci sono altri contendenti alla leadership come materiale semiconduttore. Ad esempio il grafene, diventato molto di moda dopo che fu assegnato il Premio Nobel per lo studio delle sue proprietà. Esistono infatti dei motivi per passare ad esso dal silicio, poiché il grafene presenta numerosi vantaggi significativi. Ma non è ancora chiaro se alla fine otterremo “l’elettronica sul grafene”, perché insieme ai vantaggi ci sono anche degli svantaggi.

Per parlare delle prospettive del grafene nella microelettronica e delle sue proprietà uniche, abbiamo incontrato a Novosibirsk il capo ricercatore dell'omonimo Istituto di chimica inorganica. A.V. Nikolaev SB RAS, Dottore in Scienze Chimiche, Professor Vladimir Fedorov.

Alla Arshinova: Vladimir Efimovich, qual è l'attuale posizione del silicio nella microelettronica?

Vladimir Fedorov: Il silicio è utilizzato da molto tempo nel settore come principale materiale semiconduttore. Il fatto è che è facilmente drogabile, cioè è possibile aggiungervi atomi di vari elementi, che modificano in modo specifico le proprietà fisiche e chimiche. Questa modifica del silicio di elevata purezza consente di ottenere materiali semiconduttori di tipo n o p. Pertanto, il drogaggio direzionale del silicio regola le proprietà funzionali dei materiali importanti per la microelettronica.

Il silicio è davvero un materiale unico, e questo è il motivo per cui sono stati investiti così tanti sforzi, denaro e risorse intellettuali. Le proprietà fondamentali del silicio sono state studiate così dettagliatamente che è diffusa la convinzione che semplicemente non possa esistere un suo sostituto. Tuttavia, recenti ricerche sul grafene hanno dato il via libera a un’altra visione, ovvero che nuovi materiali potrebbero essere sviluppati al punto da poter sostituire il silicio.

Struttura cristallina del silicio

Tali discussioni sorgono periodicamente nella scienza e, di regola, vengono risolte solo dopo una ricerca seria. Ad esempio, recentemente si è verificata una situazione simile con i superconduttori ad alta temperatura. Nel 1986, Bednorz e Müller scoprirono la superconduttività nell'ossido di bario-lantanio-rame (per questa scoperta furono insigniti del Premio Nobel nel 1987 - un anno dopo la scoperta!), che fu rilevata a temperature significativamente superiori ai valori caratteristica del tempo precedentemente noto dei materiali superconduttori. Inoltre, la struttura dei composti superconduttori cuprati differiva significativamente da quella dei superconduttori a bassa temperatura. Successivamente una valanga di studi su sistemi correlati ha portato alla produzione di materiali con una temperatura di transizione superconduttiva di 90 K e superiore. Ciò significava che invece del costoso e capriccioso elio liquido, l'azoto liquido poteva essere utilizzato come refrigerante: ce n'è molto in forma gassosa in natura e inoltre è significativamente più economico dell'elio.

Ma, sfortunatamente, questa euforia è presto svanita dopo un’attenta ricerca sui nuovi superconduttori ad alta temperatura. Questi materiali policristallini, come altri ossidi complessi, sono come la ceramica: sono fragili e non duttili. Si è scoperto che all'interno di ciascun cristallo la superconduttività ha buoni parametri, ma nei campioni compatti le correnti critiche sono piuttosto basse, a causa dei deboli contatti tra i grani del materiale. Le deboli giunzioni Josephson tra i grani superconduttori non consentono la produzione di un materiale (ad esempio un filo) con elevate caratteristiche superconduttrici.

Batteria solare a base di silicio policristallino

La stessa situazione può accadere con il grafene. Attualmente sono state scoperte proprietà molto interessanti, ma restano ancora da fare ricerche approfondite per rispondere definitivamente alla domanda sulla possibilità di produrre questo materiale su scala industriale e di utilizzarlo nella nanoelettronica.

Alla Arshinova: Per favore, spiegami cos'è il grafene e in cosa differisce dalla grafite?

Vladimir Fedorov: Il grafene è uno strato monoatomico formato da atomi di carbonio che, come la grafite, ha un reticolo a forma di nido d'ape. E la grafite è, di conseguenza, strati di grafene impilati uno sopra l'altro. Gli strati di grafene nella grafite sono collegati tra loro da legami di Van der Waals molto deboli, motivo per cui alla fine è possibile separarli l'uno dall'altro. Quando scriviamo con una matita, questo è un esempio di come rimuoviamo strati di grafite. È vero, la traccia di una matita rimasta sulla carta non è ancora grafene, ma una struttura multistrato di grafene.

Ora ogni bambino può seriamente affermare che non sta semplicemente trasferendo la carta, ma creando una complessa struttura multistrato di grafene

Ma se è possibile dividere una struttura del genere in uno strato, si ottiene il vero grafene. Separazioni simili sono state effettuate dai premi Nobel per la fisica di quest’anno, Geim e Novoselov. Sono riusciti a dividere la grafite utilizzando del nastro e, dopo aver studiato le proprietà di questo "strato di grafite", si è scoperto che ha parametri molto buoni per l'uso nella microelettronica. Una delle proprietà notevoli del grafene è la sua elevata mobilità degli elettroni. Dicono che il grafene diventerà un materiale indispensabile per computer, telefoni e altre apparecchiature. Perché? Perché in questo ambito si tende ad accelerare le procedure di elaborazione delle informazioni. Queste procedure sono legate alla velocità dell'orologio. Maggiore è la frequenza operativa, maggiore è il numero di operazioni che possono essere elaborate per unità di tempo. Pertanto, la velocità dei portatori di carica è molto importante. Si è scoperto che i portatori di carica nel grafene si comportano come particelle relativistiche con massa effettiva nulla. Queste proprietà del grafene fanno davvero sperare che sarà possibile creare dispositivi in ​​grado di funzionare a frequenze terahertz, inaccessibili al silicio. Questa è una delle proprietà più interessanti del materiale.

I premi Nobel per la fisica 2010 Andre Geim e Konstantin Novoselov

Dal grafene si possono ottenere pellicole flessibili e trasparenti, anch'esse molto interessanti per numerose applicazioni. Altro vantaggio è che si tratta di un materiale molto semplice e leggerissimo, più leggero del silicio; Inoltre, in natura il carbonio è abbondante. Pertanto, se trovano davvero un modo per utilizzare questo materiale nelle alte tecnologie, allora, ovviamente, avrà buone prospettive e, forse, alla fine sostituirà il silicio.

Ma esiste un problema fondamentale associato alla stabilità termodinamica dei conduttori a bassa dimensione. Come è noto, i solidi sono suddivisi in vari sistemi spaziali; ad esempio, il sistema 3D (tridimensionale) include cristalli volumetrici. I sistemi bidimensionali (2D) sono rappresentati da cristalli stratificati. E le strutture a catena appartengono a un sistema unidimensionale (1D). Pertanto, le strutture a catena 1D a bassa dimensione e a strati 2D con proprietà metalliche non sono stabili dal punto di vista termodinamico; al diminuire della temperatura tendono a trasformarsi in un sistema che perde le sue proprietà metalliche. Queste sono le cosiddette transizioni metallo-dielettrico. Resta da vedere quanto saranno stabili i materiali di grafene in alcuni dispositivi. Certo, il grafene è interessante, sia dal punto di vista delle proprietà elettrofisiche che di quelle meccaniche. Si ritiene che lo strato monolitico di grafene sia molto resistente.

Alla Arshinova: Più forte del diamante?

Vladimir Fedorov: Il diamante ha legami tridimensionali ed è meccanicamente molto resistente. Nella grafite i legami interatomici nel piano sono gli stessi, forse anche più forti. Il fatto è che da un punto di vista termodinamico il diamante dovrebbe trasformarsi in grafite, perché la grafite è più stabile del diamante. Ma in chimica ci sono due fattori importanti che controllano il processo di trasformazione: la stabilità termodinamica delle fasi e la cinetica del processo, cioè la velocità di trasformazione di una fase nell'altra. Quindi, i diamanti giacciono nei musei di tutto il mondo da secoli e non vogliono trasformarsi in grafite, anche se dovrebbero. Forse tra milioni di anni si trasformeranno ancora in grafite, anche se sarebbe un gran peccato. Il processo di trasformazione del diamante in grafite a temperatura ambiente avviene a una velocità molto lenta, ma se riscaldi il diamante ad alta temperatura, la barriera cinetica sarà più facile da superare e ciò accadrà sicuramente.

Grafite nella sua forma originale

Alla Arshinova: È noto da tempo che la grafite può essere divisa in scaglie molto sottili. Qual è stato allora il risultato ottenuto dai premi Nobel 2010 per la fisica?

Vladimir Fedorov: Probabilmente conosci un personaggio come Petrik. Dopo aver consegnato il Premio Nobel ad Andrei Geim e Konstantin Novoselov, ha dichiarato che il Premio Nobel gli era stato rubato. In risposta, Geim ha affermato che, in effetti, tali materiali sono noti da molto tempo, ma hanno ricevuto il premio per aver studiato le proprietà del grafene e non per aver scoperto un metodo per la sua produzione in quanto tale. In effetti, il loro merito è quello di essere riusciti a separare strati di grafene di ottima qualità da grafite altamente orientata e a studiarne le proprietà in dettaglio. La qualità del grafene è molto importante, come nella tecnologia del silicio. Quando hanno imparato come ottenere silicio con un grado di purezza molto elevato, solo allora è diventata possibile l'elettronica basata su di esso. La situazione è la stessa con il grafene. Geim e Novoselov presero grafite purissima con strati perfetti, riuscirono a separare uno strato e ne studiarono le proprietà. Sono stati i primi a dimostrare che questo materiale ha una serie di proprietà uniche.

Alla Arshinova: In connessione con l'assegnazione del Premio Nobel a scienziati con radici russe che lavorano all'estero, i nostri compatrioti, lontani dalla scienza, si chiedono se sia possibile ottenere gli stessi risultati qui in Russia?

Vladimir Fedorov: Probabilmente era possibile. Se ne sono semplicemente andati al momento giusto. Il loro primo articolo, pubblicato su Nature, è stato scritto in collaborazione con diversi scienziati di Chernogolovka. A quanto pare, anche i nostri ricercatori russi hanno lavorato in questa direzione. Ma non è stato possibile portarlo a termine in maniera convincente. È un peccato. Forse uno dei motivi sono le condizioni più favorevoli per lavorare in laboratori scientifici stranieri. Sono arrivato di recente dalla Corea e posso paragonare le condizioni di lavoro che mi sono state offerte lì con quelle del lavoro a casa. Quindi lì non ero preoccupato di nulla, ma a casa ero pieno di compiti di routine che richiedevano molto tempo e mi distraevano costantemente dalla cosa principale. Mi è stato fornito tutto ciò di cui avevo bisogno e questo è stato fatto con una velocità sorprendente. Ad esempio, se ho bisogno di qualche reagente, scrivo un biglietto e me lo portano il giorno dopo. Ho il sospetto che anche i premi Nobel godano di ottime condizioni di lavoro. Bene, hanno avuto abbastanza tenacia: hanno provato molte volte a ottenere del buon materiale e alla fine hanno ottenuto il successo. Hanno dedicato davvero molto tempo e impegno a questo, e in questo senso il premio è stato meritatamente assegnato.

Alla Arshinova: Quali sono esattamente i vantaggi del grafene rispetto al silicio?

Vladimir Fedorov: In primo luogo, abbiamo già detto che ha un'elevata mobilità dei portatori, come dicono i fisici, i portatori di carica non hanno massa. La massa rallenta sempre il movimento. E nel grafene gli elettroni si muovono in modo tale da poter essere considerati privi di massa. Questa proprietà è unica: se esistono altri materiali e particelle con proprietà simili, sono estremamente rari. Questo è ciò per cui il grafene si è rivelato utile, ed è anche il motivo per cui regge favorevolmente il confronto con il silicio.

In secondo luogo, il grafene ha un’elevata conduttività termica e questo è molto importante per i dispositivi elettronici. È molto leggero e il foglio di grafene è trasparente e flessibile e può essere arrotolato. Il grafene può essere molto economico se vengono sviluppati metodi ottimali per la sua produzione. Dopotutto, il “metodo dello scotch” dimostrato da Game e Novoselov non è industriale. Questo metodo produce campioni di altissima qualità, ma in quantità molto piccole, solo per la ricerca.

E ora i chimici stanno sviluppando altri modi per produrre il grafene. Dopotutto, è necessario procurarsi fogli di grandi dimensioni per avviare la produzione di grafene. Di questi temi ci occupiamo anche qui all'Istituto di Chimica Inorganica. Se imparassero a sintetizzare il grafene utilizzando metodi che consentirebbero di produrre materiale di alta qualità su scala industriale, allora c’è speranza che possa rivoluzionare la microelettronica.

Alla Arshinova: Come probabilmente tutti già sanno dai media, è possibile ottenere una struttura multistrato di grafene utilizzando una matita e un nastro adesivo. Qual è la tecnologia per produrre il grafene utilizzata nei laboratori scientifici?

Vladimir Fedorov: Esistono diversi metodi. Uno di questi è noto da molto tempo e si basa sull'uso dell'ossido di grafite. Il suo principio è abbastanza semplice. La grafite viene posta in una soluzione di sostanze altamente ossidanti (ad esempio acido solforico, nitrico, ecc.) E quando riscaldata inizia a interagire con gli agenti ossidanti. In questo caso la grafite viene suddivisa in più fogli o addirittura strati monoatomici. Ma i monostrati risultanti non sono grafene, ma grafene ossidato, che contiene gruppi di ossigeno, idrossile e carbossile attaccati. Ora il compito principale è ripristinare questi strati in grafene. Poiché l'ossidazione produce piccole particelle, queste devono essere incollate insieme in qualche modo per ottenere un monolite. Gli sforzi dei chimici mirano a capire come sia possibile realizzare un foglio di grafene dall'ossido di grafite, la cui tecnologia di produzione è nota.

Esiste un altro metodo, anch'esso abbastanza tradizionale e noto da molto tempo: si tratta della deposizione di vapori chimici con la partecipazione di composti gassosi. La sua essenza è la seguente. Dapprima le sostanze di reazione vengono sublimate nella fase gassosa, quindi vengono fatte passare attraverso un substrato riscaldato ad alte temperature, sul quale vengono depositati gli strati desiderati. Una volta selezionato un reagente di partenza, come il metano, questo può essere decomposto in modo tale che l'idrogeno venga scisso e il carbonio rimanga sul substrato. Ma questi processi sono difficili da controllare ed è difficile ottenere uno strato ideale.

Il grafene è una delle modifiche allotropiche del carbonio

Esiste un altro metodo che ora inizia ad essere utilizzato attivamente: il metodo di utilizzo dei composti intercalati. Nella grafite, come in altri composti stratificati, tra gli strati possono essere interposte molecole di varie sostanze, chiamate “molecole ospiti”. La grafite è la matrice “ospite”, dove forniamo gli “ospiti”. Quando gli ospiti si intercalano nel reticolo dell'ospite, gli strati si separano naturalmente. Questo è esattamente ciò che serve: il processo di intercalazione rompe la grafite. I composti intercalati sono ottimi precursori per la produzione di grafene: devi solo rimuovere gli "ospiti" da lì e impedire agli strati di collassare nuovamente in grafite. Un passo importante in questa tecnologia è il processo per ottenere dispersioni colloidali che possono essere convertite in materiali di grafene. Nel nostro istituto sosteniamo esattamente questo approccio. Questa è a nostro avviso la direzione più avanzata, dalla quale ci si aspettano ottimi risultati, perché da vari tipi di composti intercalati si possono ottenere strati isolati nel modo più semplice ed efficace.

La struttura del grafene è simile a un nido d'ape. E recentemente è diventato un argomento molto “dolce”.

Esiste un altro metodo, chiamato sintesi chimica totale. Sta nel fatto che i “favi” necessari sono assemblati da semplici molecole organiche. La chimica organica dispone di un apparato sintetico molto sviluppato, che permette di ottenere una grandissima varietà di molecole. Pertanto, stanno cercando di ottenere strutture di grafene mediante sintesi chimica. Finora è stato possibile creare un foglio di grafene composto da circa duecento atomi di carbonio.

Sono in fase di sviluppo altri approcci alla sintesi del grafene. Nonostante numerosi problemi, la scienza in questa direzione sta andando avanti con successo. C'è un alto grado di fiducia che gli ostacoli esistenti verranno superati e che il grafene rappresenterà una nuova pietra miliare nello sviluppo di alte tecnologie.

Candidata di scienze chimiche Tatyana Zimina.

Il Premio Nobel per la Fisica 2010 è stato assegnato per la ricerca sul grafene, un materiale bidimensionale che presenta proprietà insolite e allo stesso tempo molto utili. La sua scoperta promette non solo nuove tecnologie, ma anche lo sviluppo della fisica fondamentale, che potrebbe portare a nuove conoscenze sulla struttura della materia. I vincitori del Premio Nobel per la fisica di quest'anno sono Andre Geim e Konstantin Novoselov, professori dell'Università di Manchester (Regno Unito), laureati all'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca.

Gli atomi di carbonio nel grafene formano un cristallo bidimensionale con celle a forma esagonale.

Premio Nobel per la fisica 2010 Andre Geim (nato nel 1958) è professore all'Università di Manchester (Regno Unito). Laureato presso l'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, ha difeso la sua tesi di dottorato presso l'Istituto di fisica dello stato solido (Chernogolo

Premio Nobel per la fisica 2010 Konstantin Novoselov (nato nel 1974) è professore all'Università di Manchester (Regno Unito) e laureato all'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca. Ha lavorato presso l'Istituto per i problemi della tecnologia microelettronica e soprattutto

Il grafene è una delle forme allotropiche del carbonio. Inizialmente veniva ottenuto mediante pelatura graduale di sottili strati di grafite. Il grafene si arrotola per formare un nanotubo o fullerene.

Una delle possibili applicazioni del grafene è la creazione sulla base di una nuova tecnologia per decifrare la struttura chimica (sequenziamento) del DNA. Scienziati dell'Istituto di nanoscienze Kavli, Paesi Bassi, sotto la guida del professor Decke

Il grafene, un materiale spesso solo un atomo, è costituito da una “rete” di atomi di carbonio disposti, come un nido d’ape, in celle di forma esagonale. Questa è un'altra forma allotropica del carbonio insieme a grafite, diamante, nanotubi e fullerene. Il materiale ha un'eccellente conduttività elettrica, una buona conduttività termica, un'elevata resistenza ed è quasi completamente trasparente.

L’idea di produrre grafene “giaceva” nel reticolo cristallino della grafite, che è una struttura a strati formata da strati di atomi di carbonio debolmente legati. Cioè, la grafite, infatti, può essere rappresentata come un insieme di strati di grafene (cristalli bidimensionali) collegati tra loro.

La grafite è un materiale stratificato. È stata questa proprietà che i premi Nobel hanno utilizzato per produrre il grafene, nonostante la teoria prevedesse (e precedenti esperimenti confermassero) che un materiale di carbonio bidimensionale non può esistere a temperatura ambiente: si trasformerà in altre forme allotropiche di carbonio, ad esempio , si piegano in nanotubi o fullereni sferici.

Un team internazionale di scienziati guidato da Andre Geim, che comprendeva ricercatori dell'Università di Manchester (Regno Unito) e dell'Istituto di tecnologia microelettronica e materiali altamente puri (Chernogolovka, Russia), ha ottenuto il grafene semplicemente staccando strati di grafite. Per fare ciò, il normale nastro è stato incollato al cristallo di grafite e quindi rimosso: sul nastro sono rimaste le pellicole più sottili, comprese quelle a strato singolo. (Come non ricordare: “Tutto ciò che è geniale è semplice”!) Successivamente, con questa tecnica furono ottenuti altri materiali bidimensionali, tra cui il superconduttore ad alta temperatura Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Ora questo metodo si chiama “esfoliazione micromeccanica”, consente di ottenere campioni di grafene della massima qualità fino a 100 micron di dimensione.

Un'altra grande idea dei futuri premi Nobel è stata quella di depositare il grafene su un substrato di ossido di silicio (SiO 2). Grazie a questa procedura, il grafene è diventato possibile osservarlo al microscopio (dalla forza ottica a quella atomica) e studiarlo.

I primi esperimenti con il nuovo materiale hanno dimostrato che nelle mani degli scienziati non c'è solo un'altra forma di carbonio, ma una nuova classe di materiali con proprietà che non possono sempre essere descritte dal punto di vista della teoria classica della fisica dello stato solido.

Il materiale bidimensionale risultante, essendo un semiconduttore, ha una conduttività pari a quella di uno dei migliori conduttori metallici: il rame. I suoi elettroni hanno una mobilità molto elevata, dovuta alle peculiarità della sua struttura cristallina. Ovviamente, questa qualità del grafene, unita al suo spessore nanometrico, lo rende un materiale candidato che potrebbe sostituire il silicio nell’elettronica, compresi i futuri computer ad alta velocità. I ricercatori ritengono che una nuova classe di nanoelettronica al grafene con uno spessore di transistor di base non superiore a 10 nm (un transistor ad effetto di campo è già stato ottenuto sul grafene) sia proprio dietro l'angolo.

I fisici stanno ora lavorando per aumentare ulteriormente la mobilità degli elettroni nel grafene. I calcoli mostrano che la limitazione della mobilità dei portatori di carica al suo interno (e quindi della conduttività) è associata alla presenza di impurità cariche nel substrato SiO 2. Se impariamo a ottenere pellicole di grafene “appese liberamente”, la mobilità degli elettroni può essere aumentata di due ordini di grandezza - fino a 2 × 10 6 cm 2 /V. Con. Tali esperimenti sono già in corso e con successo. È vero, un film bidimensionale ideale allo stato libero è instabile, ma se è deformato nello spazio (cioè non è idealmente piatto, ma, ad esempio, ondulato), la stabilità è assicurata. Da tale pellicola è possibile realizzare, ad esempio, un sistema nanoelettromeccanico: un sensore di gas altamente sensibile in grado di reagire anche a una singola molecola presente sulla sua superficie.

Altre possibili applicazioni del grafene: negli elettrodi dei supercondensatori, nelle batterie solari, per creare vari materiali compositi, anche ultraleggeri e ad alta resistenza (per aviazione, veicoli spaziali, ecc.), con una determinata conduttività. Quest'ultimo può variare enormemente. Ad esempio, è stato sintetizzato il materiale grafano che, a differenza del grafene, è un isolante (vedi “Scienza e vita” n.). È stato ottenuto aggiungendo un atomo di idrogeno a ciascun atomo di carbonio del materiale di partenza. È importante che tutte le proprietà del materiale di partenza, il grafene, possano essere ripristinate semplicemente riscaldando (ricottura) il grafene. Allo stesso tempo, il grafene aggiunto alla plastica (un isolante) la trasforma in un conduttore.

La quasi completa trasparenza del grafene suggerisce il suo utilizzo nei touch screen e, se ricordiamo la sua “supersottilità”, allora le prospettive per il suo utilizzo nei futuri computer flessibili (che possono essere arrotolati come un giornale), braccialetti di orologi e dispositivi morbidi i pannelli luminosi sono chiari.

Ma qualsiasi applicazione del materiale richiede la sua produzione industriale, per la quale il metodo di esfoliazione micromeccanica utilizzato nella ricerca di laboratorio non è adatto. Pertanto, nel mondo si stanno sviluppando un gran numero di altri modi per ottenerlo. Sono già stati proposti metodi chimici per produrre grafene da microcristalli di grafite. Uno di questi, ad esempio, produce grafene incorporato in una matrice polimerica. Vengono inoltre descritte la deposizione e la crescita di vapore ad alta pressione e temperatura su substrati di carburo di silicio. In quest'ultimo caso, più adatto alla produzione industriale, durante la decomposizione termica dello strato superficiale del substrato si forma una pellicola con le proprietà del grafene.

Il valore del nuovo materiale per lo sviluppo della ricerca fisica è straordinariamente grande. Come sottolineano Sergei Morozov (Istituto per i problemi della tecnologia microelettronica e dei materiali altamente puri dell’Accademia russa delle scienze), Andre Geim e Konstantin Novoselov nel loro articolo pubblicato nel 2008 sulla rivista Uspekhi Fizicheskikh Nauk, “in effetti, il grafene apre una nuovo paradigma scientifico: la fisica “relativistica” dello stato solido, in cui i fenomeni relativistici quantistici (alcuni dei quali non sono realizzabili nemmeno nella fisica delle alte energie) possono ora essere studiati in normali condizioni di laboratorio... Per la prima volta in uno stato solido esperimento, è possibile esplorare tutte le sfumature e la diversità dell’elettrodinamica quantistica”. Cioè, stiamo parlando del fatto che molti fenomeni, il cui studio richiedeva la costruzione di enormi acceleratori di particelle, ora possono essere studiati, armati di uno strumento molto più semplice: il materiale più sottile al mondo.

Commento di esperti

Stavamo pensando a un transistor ad effetto di campo...

I redattori hanno chiesto al loro collega e coautore di commentare i risultati del lavoro dei premi Nobel Andre Geim e Konstantin Novoselov. Il capo del laboratorio dell'Istituto per i problemi della tecnologia della microelettronica e dei materiali altamente puri dell'Accademia russa delle scienze (Chernogolovka) Sergei Morozov risponde alle domande della corrispondente di "Scienza e vita" Tatyana Zimina.

Come è nata l’idea di ottenere un materiale di carbonio bidimensionale? In relazione a cosa? Ti aspettavi qualche proprietà insolita da questa forma di carbonio?

Inizialmente, il nostro obiettivo non era creare un materiale bidimensionale da un semimetallo, stavamo cercando di realizzare un transistor ad effetto di campo. I metalli, anche con lo spessore di un atomo, non sono adatti a questo: hanno troppi elettroni liberi. Per prima cosa abbiamo ottenuto un numero numerabile di piani atomici da un cristallo di grafite, poi abbiamo iniziato a realizzare lastre sempre più sottili fino ad ottenere uno strato monoatomico, cioè il grafene.

Il grafene è stato preso in considerazione dai teorici già da molto tempo, a partire dalla metà del XX secolo. Hanno anche introdotto il nome stesso di materiale di carbonio bidimensionale. È stato il grafene a diventare il punto di partenza per i teorici (molto prima della sua produzione sperimentale) per calcolare le proprietà di altre forme di carbonio: grafite, nanotubi, fullereni. È anche il più ben descritto teoricamente. Naturalmente, alcuni effetti ora scoperti sperimentalmente semplicemente non furono presi in considerazione dai teorici. Gli elettroni nel grafene si comportano come particelle relativistiche. Ma nessuno aveva mai pensato di studiare come sarebbe l’effetto Hall nel caso delle particelle relativistiche. Abbiamo scoperto un nuovo tipo di effetto Hall quantistico, che è stata una delle prime chiare conferme dell’unicità del sottosistema elettronico nel grafene. Lo stesso si può dire del paradosso di Klein insito nel grafene, noto dalla fisica delle alte energie. Nei semiconduttori o nei metalli tradizionali, gli elettroni possono attraversare barriere potenziali, ma con una probabilità significativamente inferiore a uno. Nel grafene, gli elettroni (come le particelle relativistiche) penetrano anche attraverso barriere a potenziale infinitamente alto senza riflessione.

Perché si pensava che un materiale di carbonio bidimensionale (grafene) fosse instabile a temperatura ambiente? E come sei riuscito ad ottenerlo allora?

I primi lavori dei teorici che mostravano l'instabilità dei materiali bidimensionali si riferivano a un sistema bidimensionale ideale infinito. Lavori successivi hanno dimostrato che in un sistema bidimensionale, l'ordine a lungo raggio (che è inerente ai corpi cristallini - ndr) può ancora esistere a una temperatura finita (la temperatura ambiente per un cristallo è piuttosto bassa). Il vero grafene in uno stato sospeso apparentemente non è perfettamente piatto, è leggermente ondulato: l'altezza dei rialzi in esso è dell'ordine di un nanometro. Queste "onde" non sono visibili al microscopio elettronico, ma ci sono altre conferme.

Il grafene è un semiconduttore, se ho capito bene. Ma qua e là trovo la definizione: semimetallo. A quale classe di materiali appartiene?

I semiconduttori hanno un gap di banda di una certa ampiezza. Per il grafene è zero. Quindi può essere chiamato un semiconduttore a banda proibita zero o un semimetallo a sovrapposizione zero. Cioè occupa una posizione intermedia tra semiconduttori e semimetalli.

Qua e là nella letteratura popolare si parla di altri materiali bidimensionali. Il tuo gruppo ha provato a ottenerne qualcuno?

Letteralmente un anno dopo aver ottenuto il grafene, abbiamo ottenuto materiali bidimensionali da altri cristalli stratificati. Questi sono, ad esempio, il nitruro di boro, alcuni dichalcogenuri e il superconduttore ad alta temperatura Bi-Sr-Ca-Cu-O. Non replicavano le proprietà del grafene: alcuni erano generalmente isolanti, altri avevano una conduttività molto bassa. Molti gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno studiando materiali bidimensionali. Attualmente stiamo utilizzando il nitruro di boro come substrato per le strutture di grafene. Si è scoperto che questo migliora radicalmente le proprietà del grafene. Inoltre, se parliamo dell’uso del grafene per creare materiali compositi, il nitruro di boro è uno dei suoi principali concorrenti.

- Quali metodi esistenti per produrre il grafene sono i più promettenti?

Secondo me, ora ci sono due metodi principali. Il primo è la crescita di pellicole di alcuni metalli delle terre rare, nonché di rame e nichel, sulla superficie. Quindi il grafene deve essere trasferito su altri substrati e hanno già imparato come farlo. Questa tecnologia sta entrando nella fase di sviluppo commerciale.

Un altro metodo è la crescita su carburo di silicio. Ma sarebbe bello imparare a coltivare il grafene sul silicio, su cui è costruita tutta l’elettronica moderna. Quindi lo sviluppo di dispositivi al grafene farebbe passi da gigante, poiché l’elettronica al grafene espanderebbe naturalmente la funzionalità della microelettronica tradizionale.