ნობელის პრემია აგრაფენის აღმოჩენისთვის. როგორ მიიღეს ნობელის პრემია რუსეთიდან "ნაგვის ფიზიკოსებმა".

სტოკჰოლმში 2010 წლის ნობელის პრემიის ლაურეატთა ვინაობა ფიზიკაში გამოცხადდა. ესენი იყვნენ პროფესორი ანდრეი გეიმი და პროფესორი კონსტანტინე ნოვოსელოვი. ორივე ლაურეატი, რომლებიც მუშაობენ მანჩესტერის ბრიტანულ უნივერსიტეტში, რუსეთიდან არიან. 52 წლის ანდრეი გეიმი ნიდერლანდების მოქალაქეა, 36 წლის კონსტანტინე ნოვოსელოვს კი რუსეთის და ბრიტანეთის მოქალაქეობა აქვს.

მსოფლიოში ყველაზე პრესტიჟული სამეცნიერო პრიზი, დაახლოებით 1,5 მილიონი დოლარის ღირებულების წელს, მეცნიერებს გადაეცათ გრაფენის აღმოჩენისთვის, ულტრა თხელი და უკიდურესად გამძლე მასალისა, რომელიც არის ნახშირბადის ფენა ერთი ატომის სისქით.

ჟურნალის Around the World-ის სამეცნიერო რედაქტორი ალექსანდრე სერგეევი რადიო თავისუფლების ეთერში საუბრობს იმ სირთულეებზე, რომლებიც წარმოიშვა გრაფენის აღმოჩენისას და რა არის ამ მასალის პრაქტიკული გამოყენება:

აღსანიშნავია ის ფაქტი, რომ მეცნიერებმა გრაფენი მიიღეს. თეორიულად, გრაფინი იწინასწარმეტყველეს მის სინთეზამდე ნახევარი საუკუნით ადრე. სკოლაში ყველამ შეისწავლა გრაფიტის სტრუქტურა - ეს ჩვეულებრივი ფანქარია. ნახშირბადის ატომი ქმნის თხელ ფენებს, რომლებიც არაერთხელ ფენიან ერთმანეთს. თითოეული ფენა შედგება ექვსკუთხა უჯრედებისგან, რომლებიც ერთმანეთს ერგება, როგორც თაფლი.

პრობლემა იყო ერთი ფენის გამოყოფა ზემოთ და ქვემოდან. ამ ორგანზომილებიანი კრისტალის ერთი ფენისთვის, ე.წ. იმიტომ, რომ მას არ აქვს მესამე განზომილება, იწინასწარმეტყველეს რამდენიმე საინტერესო ფიზიკური თვისება. ბევრი ექსპერიმენტი ჩატარდა. მაგრამ შეუძლებელი იყო ერთი ფენის გამოყოფა ყველა დანარჩენისგან სტაბილური შედეგით.

ანდრეი გეიმმა და კონსტანტინე ნოვოსელოვმა მოიგონეს გზა, რომლითაც შეძლეს ამ ფენის შერჩევა და მოგვიანებით დარწმუნდნენ, რომ ის ნამდვილად ერთი იყო. ამის შემდეგ მეცნიერებმა შეძლეს მისი ფიზიკური თვისებების გაზომვა და იმის დადასტურება, რომ თეორიული პროგნოზები მეტ-ნაკლებად სწორი იყო. ეს ექსპერიმენტი ძალიან მარტივია: მეცნიერებმა აიღეს ჩვეულებრივი ფანქარი, გრაფიტის ნაჭერი. წებოვანი ლენტის გამოყენებით მათ მოაცილეს გრაფიტის ფენა, შემდეგ კი დაიწყეს მისი მოცილება. როდესაც 1-2 ფენა დარჩა, გრაფიტი გადაიტანეს სილიკონის სუბსტრატზე.

რატომ ჩავარდა ყველა წინა ექსპერიმენტი? იმის გამო, რომ (და ეს იყო ნაწინასწარმეტყველები თეორიულად) გრაფენის ფირი, ორგანზომილებიანი ნახშირბადის კრისტალი, არამდგრადია ბრუნვის მიმართ. როგორც კი თავისუფალ მდგომარეობაში აღმოჩნდება, მაშინვე დაიწყებს დაქუცმაცებას. გაჩნდა მოსაზრებაც კი, რომ გრაფენის იზოლაცია შეუძლებელი იყო. მეცნიერთა მუშაობა 2004 წელს გაკეთდა, 2009 წელს კი უკვე გრაფენის ნაჭერი იქნა მიღებული. ანუ თითქმის სანტიმეტრის ზომის გრაფენის ფურცელი. ახლა კი ათობით სანტიმეტრზეა საუბარი.

- საერთოდ რატომ არის საჭირო ეს გრაფინი?

ყველა ელექტრონიკა ახლა მოძრაობს ელემენტების ზომის შემცირების მიმართულებით - ტრანზისტორები, ელექტროდები და ა.შ. რაც უფრო პატარაა პროცესორის შიგნით ელემენტები, მით მეტი ელემენტი შეიძლება მოთავსდეს მასში და უფრო მძლავრი პროცესორი აწყობილი. შესაბამისად, ის შეასრულებს უფრო რთულ ლოგიკურ ოპერაციებს. რა შეიძლება იყოს ერთ ატომურ ფენაზე თხელი? გრაფენს აქვს წვრილი თვისება.

გარდა ამისა, ის ატარებს ელექტროენერგიას. და - თითქმის გამჭვირვალე. ამავე დროს, ის საკმაოდ ძლიერია: ის ერთ-ერთი ყველაზე ძლიერი მასალაა ატომურ ფენაზე. იგი პრაქტიკულად არ აძლევს მასში სხვა ნივთიერებების გავლის საშუალებას. ჰელიუმის გაზსაც კი არ შეუძლია გრაფენის შეღწევა, ამიტომ ის სრულიად საიმედო საფარია. ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას, მაგალითად, სენსორულ ეკრანებზე, რადგან გამჭვირვალე ელექტროდი არ დაფარავს სურათს. შეგიძლიათ სცადოთ მისი გამოყენება ელექტრონიკაში. ახლა ისინი გრაფენებზე დაფუძნებული ტრანზისტორების შექმნას ცდილობენ. მართალია, აქ არის სირთულეები. გრაფენს აქვს ანომალიური თვისებები, რაც გარკვეულწილად ართულებს მის გამოყენებას ტრანზისტორებში. მაგრამ მას შემდეგ რაც ვისწავლეთ ატომური ფენების მოპოვება, ეს ალბათ უკვე გადალახვადი დაბრკოლებებია. ეს არის ფუნდამენტურად ახალი მასალა. აქამდე მსგავსი არაფერი ყოფილა. გამტარის ყველაზე თხელი მონოფენა, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ტექნოლოგიასა და ელექტრონიკაში.

ახალ ნობელის პრემიის ლაურეატებს საკმაოდ რთული ბიოგრაფია აქვთ. ერთი მათგანი ნიდერლანდების მოქალაქეა, მეორეს ორი პასპორტი აქვს: ბრიტანული და რუსული. ისინი მუშაობდნენ, როგორც ვიცით, მანჩესტერში, ინგლისის კვლევით ცენტრში. ხდება თუ არა მეცნიერება საერთაშორისო, თუ რუსი მეცნიერების სამწუხარო ბედია დიდი აღმოჩენების გაკეთება მხოლოდ საზღვარგარეთ გამგზავრების შემთხვევაში?

სერიოზულ სამეცნიერო მუშაობაში ჩართვისთვის საჭიროა არა მხოლოდ მატერიალურ-ტექნიკური ბაზა, არამედ უბრალოდ სიმშვიდე. მეცნიერი არავითარმა კითხვამ არ უნდა დააბნიოს. ანდრეი გეიმმა მიიღო იგ ნობელის პრემია 10 წლის წინ ბაყაყების მაგნიტურ ლევიტაციაზე ჩატარებული ექსპერიმენტებისთვის. Ig Nobel Prize არის კომიკური ანტიპრიზი უაზრო სამუშაოსთვის. მეცნიერს სჭირდება გარკვეული თავისუფლება თავის საქმიანობაში. შემდეგ იბადება იდეები. დღეს ბაყაყები გავაცილე, ხვალ კი გრაფენებს ვიღებ.

თუ ადამიანს აქვს ასეთი პირობები, მაშინ ის უფრო ეფექტურად მუშაობს. ბოლოს და ბოლოს, ორივე ამჟამინდელი ნობელის პრემიის ლაურეატი ფიზიკაში სწავლობდა MIPT-ში (მოსკოვის ფიზიკისა და ტექნოლოგიების ინსტიტუტი - RS). და ძალიან მალე ისინი გაემგზავრნენ ჰოლანდიაში, დიდ ბრიტანეთში, რადგან იქ სამუშაო ატმოსფერო უფრო ხელსაყრელია კვლევის ჩასატარებლად საჭირო სამეცნიერო ფონდების მოსაძებნად. მათ ნახშირბადის ფილა ლენტით გაანადგურეს, მაგრამ ატომური ძალის მიკროსკოპით უნდა გაზომონ. ამიტომ უნდა არსებობდეს ეს მიკროსკოპი. რუსეთში, რა თქმა უნდა, ისინი არსებობენ, მაგრამ მათზე წვდომა გაცილებით რთულია.

თუ ვიტყვი, რომ რუსეთს აქვს კარგი საბაზისო განათლება, რაც მას საშუალებას აძლევს გამოიყვანოს ნობელის პრემიის ლაურეატები, მაგრამ ამავდროულად არ არსებობს ექსპერიმენტებისთვის სერიოზული სამეცნიერო მაღალტექნოლოგიური ბაზა, იქნება ეს სიმართლე?

როგორც ნებისმიერი განზოგადება, აქაც არის გარკვეული მონაკვეთი. ჩვენი განათლება აღარ არის ისეთი კარგი და რბილი, რადგან ბევრგან ნადგურდება სამეცნიერო სკოლები. 90-იან წლებში სამუშაოს დიდმა შესვენებამ თავისი ეფექტი მოახდინა. რუსეთში არის რამდენიმე სკოლა, სადაც ყველაფერი ჯერ კიდევ ძალიან კარგად მიდის, მაგრამ არის პრობლემები აღჭურვილობისა და სერიოზული, ძვირადღირებული კვლევების ჩატარებასთან დაკავშირებით. ეს აღჭურვილობა სადღაც მთავრდება: დროდადრო საკმაოდ სერიოზული შესყიდვები ხდება, მაგალითად, კურჩატოვის ინსტიტუტში. მაგრამ რამდენად ეფექტურად გამოიყენება იგი დიდი კითხვაა. ამიტომ, ზოგან არის ძლიერი სამეცნიერო სკოლა, ზოგან კი - ტექნოლოგიების ფონდები. საკმაოდ რთულია მათი გაცვლა პრესტიჟისა და ბიუროკრატიის გამო. რუსეთში მაღალი კლასის კვლევებიც შესაძლებელია, მაგრამ გაცილებით რთულია ჩატარება - აქ უფრო რთული სამუშაო გარემოა.

სამეცნიერო კვლევა მრავალმხრივია. მაგრამ არის თუ არა გარკვეული სფეროები, რომლებსაც ნობელის კომიტეტი განსაზღვრავს, როგორც გარღვევას? რომელი უფრო ადვილია ნობელის პრემიის აღება? ან ასეთი მიმართულებები არ არსებობს?

მე გადავხედე ნობელის პრემიის ლაურეატთა სიას ფიზიკაში ბოლო 20 წლის განმავლობაში. აშკარა ტენდენცია არ არის. არსებობს ალბათ საკმაოდ ბევრი ჯილდო ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკისა და ფუნდამენტური ფიზიკური ურთიერთქმედებების სფეროში. ეს გასაგებია - იქ საკმაოდ საინტერესო საქმეს აკეთებენ. მაგრამ აქ უნდა გავითვალისწინოთ მნიშვნელოვანი წერტილი. ხშირად ამბობენ, რომ ნობელის პრემიის მოსაპოვებლად საკმარისი არ არის გარღვევა. ჩვენ ჯერ კიდევ უნდა ვიცხოვროთ იმ დრომდე, როდესაც ის დაფასდება. ამიტომ, ნობელის პრემია ჩვეულებრივ ენიჭებათ ძალიან მოწინავე ასაკის ადამიანებს. ამ თვალსაზრისით, წლევანდელი ნობელის პრემია ფიზიკაში გამონაკლისია. ნოვოსელოვი ახლა 36 წლისაა. ბოლო 20 წლის განმავლობაში, ფიზიკის პრიზებს შორის ასეთი შემთხვევა არ ყოფილა და, ჩემი აზრით, არც ყოფილა! ბოლო 8 წლის განმავლობაში 50 წლამდე არცერთ მეცნიერს არ მიუღია ნობელის პრემია და ბევრმა მიიღო იგი 70-იან ან თუნდაც 80-იან წლებში ათწლეულების წინ შესრულებული სამუშაოსთვის.

ამჟამინდელი ნობელის პრემია წესების დარღვევით მიენიჭა. შესაძლოა, ნობელის კომიტეტმა ჩათვალა, რომ პრემია გერონტოლოგიური ხდებოდა და მისი მიღების ასაკი უნდა შემცირებულიყო. ბოლოს ფიზიკის პრიზი "ახალგაზრდა" ასაკში 2001 წელს გადაეცა. ლაურეატები 40-დან 50 წლამდე იყვნენ.

ახლა, როგორც ჩანს, აქცენტი გაკეთდა რეალურ ექსპერიმენტულ სამუშაოზე. ასე რომ, მიუხედავად იმისა, რომ ნობელის პრემია არ მოიცავს ასტრონომიას, ბოლო 10 წლის განმავლობაში ასტროფიზიკის ორი ძალიან მნიშვნელოვანი პრემია იყო. იყო პრიზები მაღალი ენერგიის ფიზიკაში და ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკაში, მყარი მდგომარეობის ფიზიკაში, შედედებული მატერიის ფიზიკაში - ანუ მყარ, თხევად და სხვა მდგომარეობებში, რომლებშიც ატომები ერთმანეთთან ახლოს არიან. თითქმის ყველა ეს ნამუშევარი, ასე თუ ისე, დაკავშირებულია კვანტურ ფიზიკასთან.

- რატომ ზუსტად კვანტური თეორია? უკავშირდება თუ არა ეს ნობელის კომიტეტის წევრების პირად პრეფერენციებს? ან ეს მართლაც ახლო სამეცნიერო მომავალია?

მიზეზი ძალიან მარტივია. სინამდვილეში, დღეს მთელი ფიზიკა, გარდა გრავიტაციის თეორიისა, არის კვანტური. თითქმის ყველაფერი ახალი, რაც კეთდება ფიზიკის სფეროში, გარდა გარკვეული გვერდითი მიმართულებების, გაუმჯობესებისა და წარსულში არსებული გარღვევისა, ეფუძნება კვანტურ ფიზიკას. მხოლოდ გრავიტაცია ჯერ არ დამორჩილებულა ამ "კვანტიზაციას". და ყველაფერი დანარჩენი, რაც ეხება ფიზიკის საფუძველს, არის კვანტური თეორია და მატერიის კვანტური თეორია.

Ვინ არის ის? ნოვოსელოვი კონსტანტინე სერგეევიჩ!

ბიოგრაფია

ცნობილი მეცნიერი დაიბადა 1974 წლის 23 აგვისტოს სვერდლოვსკის ოლქის ქალაქ ნიჟნი თაგილში 39-ე სკოლის ინჟინრისა და ინგლისური ენის მასწავლებლის ოჯახში, რომლის დამფუძნებელი და დირექტორი ოდესღაც მისი ბაბუა ვიქტორ კონსტანტინოვიჩ ნოვოსელოვი იყო.

მეექვსე კლასში ყოფნისას კონსტანტინე ავლენს არაჩვეულებრივ შესაძლებლობებს და პირველ ადგილს იკავებს ფიზიკის რეგიონალურ ოლიმპიადაში, ცოტა მოგვიანებით კი, გაერთიანების ოლიმპიადაზე, ის იმეორებს თავის წარმატებას, შედის ათეულში. 1991 წელს დაამთავრა ფიზიკა-ტექნიკის დამატებითი საკორესპონდენტო სკოლა და იმავე წელს გახდა მოსკოვის ფიზიკა-ტექნიკური ინსტიტუტის სტუდენტი. სწავლობს ფიზიკური და კვანტური ელექტრონიკის ფაკულტეტზე „ნანოტექნოლოგიის“ სპეციალობით და წარჩინებით ამთავრებს ინსტიტუტს, რის შემდეგაც დასაქმებულია რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის მიკროელექტრონული ტექნოლოგიების პრობლემების ინსტიტუტში (მიკროელექტრონიკის პრობლემების ინსტიტუტი). რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ტექნოლოგია) ჩერნოგოლოვკაში. იქ დაამთავრა ასპირანტურა იური დუბროვსკის ხელმძღვანელობით.

საზღვარგარეთ

1999 წელს უკვე ჩამოყალიბებული რეპუტაციის მქონე ფიზიკოსი კონსტანტინე სერგეევიჩ ნოვოსელოვი გადავიდა ნიდერლანდებში. იქ, ნიჟმეგენის უნივერსიტეტში, მუშაობს ანდრეი გეიმთან ერთად. 2001 წლიდან მეცნიერები ერთად მუშაობენ მანჩესტერის უნივერსიტეტში. 2004 წელს მიიღო ფილოსოფიის დოქტორის ხარისხი (ხელმძღვანელი იან-კეს მაანი).

ამ დროისთვის კონსტანტინე სერგეევიჩ ნოვოსელოვი არის სამეფო საზოგადოების პროფესორი და მანჩესტერის უნივერსიტეტის ფიზიკურ და მათემატიკურ მეცნიერებათა პროფესორი და აქვს ორმაგი მოქალაქეობა (რუსეთი და დიდი ბრიტანეთი). ამჟამად ცხოვრობს მანჩესტერში.

Კვლევა

რით არის ცნობილი კონსტანტინე სერგეევიჩ ნოვოსელოვი? ანალიტიკური სააგენტო Thomson Reuters-ის ცნობით, რუს-ბრიტანელი ფიზიკოსი ერთ-ერთი ყველაზე ხშირად ციტირებული მეცნიერია. მისი კალმიდან მოვიდა 190 სამეცნიერო სტატია. თუმცა, მისი ყველაზე მნიშვნელოვანი კვლევა, რა თქმა უნდა, გრაფენია. ბევრს გაუგია ეს სიტყვა, რომელიც მარტივი და ნაცნობი ჩანს. ტექნოლოგია მართლაც ლაკონური და ელეგანტურია, ისევე როგორც ყველაფერი გენიალური. შემდგომმა კვლევამ შეიძლება კაცობრიობა მიიყვანოს ულტრა სწრაფი და ულტრა თხელი მობილური და კომპიუტერული მოწყობილობების, ელექტრო მანქანების და გამძლე, მაგრამ ძალიან მსუბუქი სტრუქტურების ეპოქაში.

Ჯილდო

როდესაც კონსტანტინე სერგეევიჩ ნოვოსელოვი მანჩესტერის უნივერსიტეტში დაიწყო მუშაობა, მისი უფროსი კოლეგა რუსეთიდან გახდა მისი ხელმძღვანელი, იმ დროისთვის იგი დიდი ხნის განმავლობაში იყო დაკავებული ამ სფეროში კვლევებით და მოახერხა გეკოს თათების ადჰეზიის მექანიზმის რეპროდუცირება. და მის საფუძველზე შექმნა წებოვანი ლენტი, რომელიც მოგვიანებით ფიზიკოსებმა გრაფენთან მუშაობისას გამოიყენეს. მანამდე გეიმს დაეხმარა გარკვეული ჩინელი სტუდენტი, მაგრამ, თავად ფიზიკოსის თქმით, მუშაობა მხოლოდ მას შემდეგ დაიწყო, რაც კონსტანტინე სერგეევიჩ ნოვოსელოვი საქმეს შეუდგა. ნობელის პრემია მათ 2010 წლის ოქტომბერში გადასცეს. ნოვოსელოვი ახლა ცნობილია, როგორც ყველაზე ახალგაზრდა ნობელის პრემიის ლაურეატი ფიზიკაში (ბოლო 37 წლის განმავლობაში); უფრო მეტიც, ამ დროისთვის ის ერთადერთი მეცნიერია 1970 წლის შემდეგ დაბადებულ ნობელის პრემიის ლაურეატთა შორის.

იმავე 2010 წელს ნოვოსელოვმა მიიღო ნიდერლანდების ლომის ორდენის მეთაურის წოდება ნიდერლანდებში მეცნიერებაში შეტანილი მნიშვნელოვანი წვლილისთვის, ხოლო ცოტა მოგვიანებით, 2011 წელს, დედოფალ ელიზაბეტ II-ის ბრძანებულებამ იგი რაინდის ბაკალავრიატი გახადა. მისი წვლილი დიდ ბრიტანეთში მეცნიერებაში. რაინდების ცერემონია ცოტა მოგვიანებით, 2012 წლის გაზაფხულზე, როგორც მოსალოდნელი იყო, ბუკინგემის სასახლეში გაიმართა. მას ხელმძღვანელობდა დედოფლის ქალიშვილი, პრინცესა ანა.

უნდა ითქვას, რომ კონსტანტინე სერგეევიჩ ნოვოსელოვმა, რომლის სამეცნიერო და სოციალური საქმიანობა ძალიან ფართოა, გრაფენის კვლევისთვის კიდევ ერთი პრესტიჟული ჯილდო მიიღო, 2008 წელს გახდა ევროფიზიკის პრიზის ლაურეატი. იგი ყოველ ორ წელიწადში ერთხელ გაიცემა; მის მიმღებთა შორის მხოლოდ ცამეტი ნობელის პრემიის ლაურეატი იყო. პრიზი შედგება ფულადი ჯილდოსა და შესაბამისი სერთიფიკატისგან. მან ასევე მიიღო კურტის პრიზი, მაგრამ არა გრაფენისთვის, არამედ დაბალ ტემპერატურასა და მაგნიტურ ველებთან მუშაობის მიღწევების ჩამონათვალისთვის.

ოჯახისა და ცხოვრების შესახებ

კონსტანტინე ნოვოსელოვი ბედნიერად არის დაქორწინებული მეუღლე ირინაზე. მიუხედავად იმისა, რომ ის ასევე რუსია, მეცნიერები შეხვდნენ საზღვარგარეთ, ნიდერლანდებში. ირინა, წარმოშობით ვოლოგდადან, მიკრობიოლოგიის დარგში კვლევებით არის დაკავებული (დისერტაცია სანქტ-პეტერბურგში დაიცვა). წყვილს ორი ქალიშვილი ჰყავს, ტყუპები სოფია და ვიკა, დაბადებული 2009 წელს.

კონსტანტინე სერგეევიჩი, მისივე სიტყვებით, არ არის ისეთი მამა, რომელიც კვირების განმავლობაში ზის ლაბორატორიაში და კარგავს საკუთარი შვილების ბავშვობას. მისთვის მსოფლიოში ყველაზე პატარა ტრანზისტორის გამოგონება და ქალიშვილს ოცდაშვიდამდე თვლა ასწავლა, იგივეა. ”ეს აქამდე არავის გაუკეთებია”, - ამბობს ის.

თავის მხრივ, მისი მშობლები არასოდეს ცდილობდნენ შეეზღუდათ შვილის ინტერესები. ისინი ყოველთვის დარწმუნებულები იყვნენ, რომ მათი შვილი ძალიან ნიჭიერი იყო და, როგორც თავად ფიზიკოსი ამბობს, ნობელის პრემია რომ მიიღო, არ გაუკვირდათ.

ჟურნალ Esquire-სთვის მიცემულ ინტერვიუში მან აღიარა, რომ ოცნებობს ისწავლოს ფორტეპიანოზე დაკვრა. ის სწავლობს, თუმცა, მისივე აღიარებით, შედეგები მაინც საშუალოა.

სსრკ-ს შესახებ

კონსტანტინე სერგეევიჩი დაიბადა სსრკ-ში და მიიღო შესანიშნავი განათლება. ის თავად აღიარებს, რომ ასეთი ღრმა ცოდნის მიღება რამდენიმე ადგილას შეიძლება. მაგრამ ის რუსეთში დაბრუნებას არ გეგმავს. შესაძლოა, სწორედ ამის გამოა, რომ ზოგიერთი ჟურნალისტი უნებურად საყვედურობს მას პატრიოტიზმის ნაკლებობის გამო. ამაზე მეცნიერი პასუხობს, რომ საქმე ფულს არ ეხება, უბრალოდ, ბრიტანეთში მუშაობა უფრო მშვიდია, რადგან შენს საქმეებში არავინ ერევა.

ნოვოსელოვი მსუბუქად ეკიდება ცხოვრებას და არ ჩერდება წარუმატებლობებზე - ეს მისი ერთ-ერთი ძირითადი წესია. თუ ადამიანებთან ურთიერთობაში სირთულეები წარმოიქმნება, ის ცდილობს არ გამოიწვიოს დაშლა, მაგრამ თუ ეს გარდაუვალია, ბოლო სიტყვას სხვას უტოვებს. ცნობილ ფიზიკოსს ბევრი ჩვეულებრივი პრობლემა აქვს ცხოვრებაში, მაგალითად, ის მზად იქნება ნებისმიერი ფული დახარჯოს მხოლოდ თავისუფალი დროის მისაღებად.

მაგრამ ის არ ყოფს თავის ცხოვრებას სამუშაოდ და დასვენებად; ალბათ ეს არის მეცნიერის პროდუქტიულობის გასაღები. სახლში ის ფიზიკაზე ფიქრობს, სამსახურში კი უბრალოდ სულს ამშვიდებს.

რა არის გრაფენი

მიუხედავად, რა თქმა უნდა, ფიზიკის სფეროში ყველა მიღწევისა, ნოვოსელოვის მთავარი ნამუშევარი იყო და რჩება გრაფენი. ეს სტრუქტურა, რომელიც ჩვენმა თანამემამულეებმა პირველებმა მიიღეს ლაბორატორიულ პირობებში, არის ნახშირბადის ატომების ორგანზომილებიანი „ქსელი“ მხოლოდ ერთი ატომის სისქით. თავად ნოვოსელოვი ამტკიცებს, რომ ტექნოლოგია არ არის რთული და ყველას შეუძლია შექმნას გრაფენი, თითქმის იმპროვიზირებული საშუალებებიდან. ის ამბობს, რომ ყველაფერი რაც თქვენ უნდა გააკეთოთ არის კარგი გრაფიტის ყიდვა, თუმცა შეგიძლიათ ფანქრებიც კი გამოიყენოთ და ცოტა დახარჯოთ სილიკონის ვაფლებსა და ლენტაზე. ესე იგი, გრაფენის შექმნის ნაკრები მზადაა! ამრიგად, მასალა არ გახდება ექსკლუზიურად მსხვილი კორპორაციების საკუთრება; ნოვოსელოვმა და გეიმ სიტყვასიტყვით გადასცეს იგი მთელ მსოფლიოს.

საოცარი თვისებები

ფიზიკოსი ასევე გაკვირვებულია ამ მასალის ელექტრონული თვისებებით. მისივე თქმით, გრაფენის გამოყენება შესაძლებელია ტრანზისტორებში, რასაც ზოგიერთი კომპანია უკვე ცდილობს, ჩაანაცვლოს ჩვეულებრივი ნაწილები მობილურ მოწყობილობებში.

ნოვოსელოვის თქმით, გრაფენი რევოლუციას მოახდენს ტექნოლოგიაში. ნებისმიერი სამეცნიერო ფანტასტიკის ფილმის განუყოფელი ნაწილია წარმოუდგენელი გაჯეტები, გამჭვირვალე, თხელი, შეუვალი და დიდი ფუნქციონალური. თუ გრაფენი თანდათან ჩაანაცვლებს მოძველებულ სილიკონს, კინემატოგრაფიის ტექნოლოგიები ცხოვრებაში გამოჩნდება.

კიდევ რა არის აღსანიშნავი ნოვოსელოვისა და გეიმის კვლევაში? ის ფაქტი, რომ ისინი თითქმის მყისიერად გადავიდნენ ლაბორატორიებიდან ასამბლეის ხაზებზე და უფრო მეტიც, ძალიან სასარგებლო აღმოჩნდა უკვე პირველ წლებში.

მომავალი ტექნოლოგიები

სად გამოიყენება ახლა გრაფენი? როგორც ჩანს, ასეთი ცოტა ხნის წინ აღმოჩენილი მასალა ჯერ კიდევ არ შეიძლება ფართოდ გავრცელდეს და გარკვეულწილად ეს მართალია. თითქმის ყველა განვითარება ჯერ კიდევ ექსპერიმენტული ხასიათისაა და არ გამოუშვეს მასობრივ წარმოებაში. თუმცა, ისინი ახლა ცდილობენ გამოიყენონ ეს მასალა სიტყვასიტყვით ყველა სფეროში, რასაც, შესაძლოა, შეიძლება ეწოდოს ნამდვილი "გრაფინის ცხელება".

თავად გრაფენი, მიუხედავად მისი მსუბუქი წონისა და თითქმის სრული გამჭვირვალობისა (იგი შთანთქავს გადაცემული სინათლის 2%-ს, ზუსტად ისევე, როგორც ჩვეულებრივი ფანჯრის მინა), მასალა ძალიან გამძლეა. ამერიკელი მეცნიერების ბოლო კვლევებმა აჩვენა, რომ გრაფენი კარგად ერევა პლასტმასს. ეს იწვევს სუპერ ძლიერ მასალას, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ყველაფერში, ავეჯიდან და მობილური ტელეფონებიდან დაწყებული სარაკეტო მეცნიერებამდე.

გრაფენისგან უკვე შეიქმნა ელექტრომობილების ბატარეების პროტოტიპები. ისინი გამოირჩევიან მაღალი ტევადობით და დატენვის ხანმოკლე დროით. ალბათ ასე მოგვარდება ელექტრომობილების პრობლემა და ტრანსპორტი გახდება იაფი და ეკოლოგიურად სუფთა.

გრაფინი გამოიყენება ტელეფონებისთვის ახალი სენსორული პანელების შემუშავებაში. თუ კლასიკურ სენსორებს შეუძლიათ მხოლოდ ბრტყელ ზედაპირზე იმუშაონ, მაშინ გრაფენს ეს ნაკლი არ აქვს, რადგან მისი დახრილობა ნებისმიერნაირად შეიძლება. გარდა ამისა, მაღალი ელექტრული გამტარობა მინიმალურ პასუხს გახდის.

ავიაციაში

გრაფენის გამოყენებით დამზადებული რაკეტებისა და თვითმფრინავების ძარა რამდენჯერმე მსუბუქი იქნება, რაც საგრძნობლად შეამცირებს საწვავის ხარჯებს. ფრენები იმდენად იაფი გახდება, რომ ყველას შეეძლება დედამიწის მეორე მხარეს გამგზავრება. მაგრამ, მგზავრთა გადაყვანის გარდა, ეს, რა თქმა უნდა, გავლენას მოახდენს სატვირთო მოძრაობაზეც. პლანეტის შორეულ კუთხეებში მიწოდება ბევრად უკეთესი გახდება, რაც იმას ნიშნავს, რომ იქ მეტი ადამიანი იცხოვრებს და იმუშავებს.

მოსკოვი, 5 ოქტომბერი – რია ნოვოსტი. 2010 წლის ნობელის პრემია ფიზიკაში ერთდროულად ორი ქვეყნის, ლაურეატების სამშობლოს - რუსეთისა და მათი ამჟამინდელი სახლის - ბრიტანეთის დღესასწაული გახდა. შვედმა აკადემიკოსებმა უმაღლესი სამეცნიერო ჯილდო მიანიჭეს ანდრეი გეიმსა და კონსტანტინე ნოვოსელოვს ნახშირბადის ორგანზომილებიანი ფორმის - გრაფენის აღმოჩენისთვის, რამაც გამოიწვია რუსი მეცნიერების წუხილი ტვინების გადინებაზე და ბრიტანელებმა მეცნიერების დაფინანსების შენარჩუნების იმედი.

”სამწუხაროა, რომ გეიმმა და ნოვოსელოვმა აღმოჩენები საზღვარგარეთ გააკეთეს”, - თქვა რია ნოვოსტიმ მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის პოლიმერისა და კრისტალების ფიზიკის დეპარტამენტის ხელმძღვანელმა, რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის აკადემიკოსმა ალექსეი ხოხლოვმა.

„მთავრობამ უნდა ისწავლოს ნობელის კომიტეტის გადაწყვეტილებიდან“, - თქვა პროფესორმა მარტინ რისმა, სამეფო საზოგადოების პრეზიდენტმა ფიზიკაში ნობელის პრემიის მინიჭების კომენტირებისას. მან გაიხსენა, რომ ბევრი მეცნიერი, მათ შორის უცხოელები, რომლებიც მუშაობენ ბრიტანეთში, შეიძლება უბრალოდ სხვა ქვეყნებში წავიდნენ, თუ დაფინანსება შემცირდება.

ბრიტანეთის მთავრობა 20 ოქტომბერს გამოაქვეყნებს სამთავრობო ხარჯების ძირითადი შემცირების გეგმებს. მეცნიერება და უმაღლესი განათლება, სავარაუდოდ, იქნება ერთ-ერთი ის სფერო, რომელიც ყველაზე მეტად დაზარალდება შემცირებით.

MIPT-ის კურსდამთავრებულებმა გეიმ და ნოვოსელოვებმა, რომლებიც მუშაობდნენ მანჩესტერში, მიიღეს ჯილდო "ორგანზომილებიანი მასალის გრაფენის შესწავლის ინოვაციური ექსპერიმენტებისთვის". ისინი ერთმანეთს გაუნაწილებენ 10 მილიონ შვედურ კრონას (დაახლოებით ერთი მილიონი ევრო). დაჯილდოების ცერემონია სტოკჰოლმში 10 დეკემბერს, მისი დამფუძნებლის, ალფრედ ნობელის გარდაცვალების დღეს გაიმართება.

გრაფენი გახდა პირველი ორგანზომილებიანი მასალა ისტორიაში, რომელიც შედგებოდა ნახშირბადის ატომების ერთი ფენისგან, რომლებიც ერთმანეთთან დაკავშირებულია ქიმიური ბმების სტრუქტურით, რაც თავის გეომეტრიაში ახსენებს თაფლის სტრუქტურას. დიდი ხნის განმავლობაში ითვლებოდა, რომ ასეთი სტრუქტურა შეუძლებელი იყო.

"ითვლებოდა, რომ ასეთი ორგანზომილებიანი ერთფენიანი კრისტალები არ შეიძლებოდა არსებობდეს. მათ უნდა დაკარგონ სტაბილურობა და გადაიქცნენ სხვა რამეში, რადგან სინამდვილეში ეს არის თვითმფრინავი სისქის გარეშე", - ლაურეატების ყოფილი ბოსი, პრობლემების ინსტიტუტის დირექტორი. ამის შესახებ რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის (IPTM) მიკროელექტრონული ტექნოლოგიისა და უაღრესად სუფთა მასალების განყოფილებამ რია ნოვოსტის ვიაჩესლავ ტულინმა განუცხადა.

თუმცა, „შეუძლებელ“ მასალას, როგორც ირკვევა, აქვს უნიკალური ფიზიკური და ქიმიური თვისებები, რაც მას შეუცვლელს ხდის სხვადასხვა სფეროში. გრაფენი ატარებს ელექტროენერგიას, ისევე როგორც სპილენძს; ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას სენსორული ეკრანების, მზის უჯრედების და მოქნილი ელექტრონული მოწყობილობების შესაქმნელად.

"ეს არის მომავალი რევოლუცია მიკროელექტრონიკაში. თუ კომპიუტერები ახლა გიგაჰერციებია, მაშინ იქნება ტერაჰერცი და ა. განუცხადეს რია ნოვოსტის კვანტური ელექტრონიკის დეპარტამენტმა.

გრაფენმა უკვე იპოვა გამოყენების ერთი სფერო: მზის ფოტოელექტრული უჯრედები. "ადრე მზის უჯრედების წარმოებაში გამჭვირვალე ელექტროდად გამოიყენებოდა თუნუქით შეჯერებული ინდიუმის ოქსიდები. მაგრამ აღმოჩნდა, რომ გრაფენის რამდენიმე ფენა ბევრად უფრო ეფექტურია", - თქვა ალექსანდრე ვულმა, კასეტური სტრუქტურების ფიზიკის ლაბორატორიის ხელმძღვანელმა. რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის სანქტ-პეტერბურგის იოფეს ფიზიკურ-ტექნიკურ ინსტიტუტში.

პირველი ფიზიკისა და ტექნოლოგიიდან

ანდრეი გეიმი და კონსტანტინე ნოვოსელოვი არიან მოსკოვის ფიზიკისა და ტექნოლოგიების ინსტიტუტის პირველი კურსდამთავრებულები, რომლებმაც მიიღეს ნობელის პრემია: მანამდე MIPT-ის დამფუძნებლები და თანამშრომლები - პიოტრ კაპიცა, ნიკოლაი სემენოვი, ლევ ლანდაუ, იგორ ტამი, ალექსანდრე პროხოროვი, ნიკოლაი ბასოვი. ვიტალი გინზბურგი და ალექსეი აბრიკოსოვი. გეიმმა დაამთავრა ზოგადი და გამოყენებითი ფიზიკის ფაკულტეტი (GPPF) 1982 წელს, ნოვოსელოვმა ფიზიკური და კვანტური ელექტრონიკის ფაკულტეტი (FFQE) 1997 წელს. ორივე კურსდამთავრებულმა წარჩინების დიპლომი მიიღო.

"ეს არის სუპერ სიახლე. ჩვენ ძალიან მოხარულნი ვართ ნობელის კომიტეტის გადაწყვეტილებით. MIPT-მა უკვე გაუგზავნა მილოცვა ნობელის ახალ პრემიის ლაურეატებს", - განუცხადა MIPT-ის რექტორმა ნიკოლაი კუდრიავცევმა რია ნოვოსტის სამშაბათს.

რექტორის თქმით, თანამშრომლებმა „აიღეს პირადი საქმეები არქივიდან და დარწმუნდნენ, რომ ეს წარჩინებული სტუდენტები იყვნენ“. ამავდროულად, ანდრეი გეიმი პირველად არ შევიდა ინსტიტუტში, ერთი წლის განმავლობაში მუშაობდა ქარხანაში, მაგრამ "გამოავლინა გამძლეობა" და გახდა MIPT-ის სტუდენტი.

"FOPF-ში სწავლის მთელი პერიოდის განმავლობაში გეიმმა მიიღო უმაღლესი შეფასებები მასწავლებლებისგან. გეიმის გამოსაშვები ნამუშევარი კი გამორჩეულად მაღალი შეფასება იყო გამოსაშვები კომიტეტის მიერ", - თქვა MIPT-ის ხელმძღვანელმა.

ფიზიკური და კვანტური ელექტრონიკის ფაკულტეტის 152-ე ჯგუფის სტუდენტი, კონსტანტინე ნოვოსელოვი, როგორც კუდრიავცევმა აღნიშნა, „არარეგულარულად დაესწრო გაკვეთილებს, მაგრამ ყველა დავალება წარმატებით და დროულად გავიდა“.

"და ნოვოსელოვის მასწავლებელთა მიმოხილვები ასევე ყველაზე მაღალია. ეს ნიშნავს, რომ ის იმდენად ნიჭიერი იყო, რომ, ზოგადად, ყველა გაკვეთილზე დასწრება არ მოუწია", - თქვა MIPT-ის რექტორმა საარქივო დოკუმენტებზე.

შნობელიდან ნობელამდე

თამაშის კოლეგა, კონსტანტინე ნოვოსელოვი, გახდა ნობელის პრემიის ყველაზე ახალგაზრდა ლაურეატი რუსეთის მოქალაქეობით: 36 წლის ფიზიკოსი ექვსი წლით უმცროსია თავის საბჭოთა კოლეგაზე ნიკოლაი ბასოვზე, რომელმაც 42 წლის ასაკში მიიღო 1964 წლის პრემია კვანტური ელექტრონიკის დარგში მუშაობისთვის, რამაც გამოიწვია ემიტერებისა და გამაძლიერებლების შექმნა ლაზერ-მაზერის პრინციპზე დაყრდნობით.

ისტორიაში ყველაზე ახალგაზრდა ნობელის პრემიის ლაურეატი იყო ლოურენს ბრეგი, რომელმაც 25 წლის ასაკში გაიზიარა ფიზიკის პრემია მამამისთან, უილიამ ჰენრი ბრაგთან. ისტორიაში ყველაზე ახალგაზრდა ლაურეატების სიაში მომდევნო ოთხი ადგილი ასევე ფიზიკოსებს იკავებს: ვერნერ ჰაიზენბერგმა, ზონგდაო ლიმ, კარლ ანდერსონმა და პოლ დირაკმა პრიზი 31 წლის ასაკში მიიღეს.

კონსტანტინე ნოვოსელოვი კი ჯილდოს ისტორიაში დარჩება, როგორც 1970-იან წლებში დაბადებული თაობის პირველი წარმომადგენელი. პრიზის ვებსაიტის მიხედვით, წინა ათწლეულის ლაურეატთა სიაში შედიან ფიზიკოსი ერიკ კორნელი, ბიოლოგები კეროლ გრეიდერი და კრეიგ მელო, ასევე აშშ-ს პრეზიდენტი ბარაკ ობამა, რომელმაც მშვიდობის დარგში ნობელის პრემია მიიღო. ლაურეატთა სიაში ნოვოსელოვის გარდა 1961 წელზე უმცროსი არავინაა.

რედაქტორისგან: რუსეთის ეკონომიკის მოდერნიზაციისა და ჩვენს ქვეყანაში მაღალი ტექნოლოგიების განვითარების თემას შეხებით, ჩვენ დავალება დავსახეთ არა მხოლოდ მკითხველთა ყურადღება მივაპყროთ ხარვეზებს, არამედ ვისაუბროთ დადებით მაგალითებზე. უფრო მეტიც, არის ასეთი და საკმაოდ ბევრი. გასულ კვირას ვისაუბრეთ რუსეთში საწვავის უჯრედების განვითარებაზე, დღეს კი ვისაუბრებთ გრაფენზე, რომლის თვისებების შესასწავლად "ჩვენმა ყოფილმა ხალხმა" ახლახან მიიღო ნობელის პრემია. გამოდის, რომ რუსეთში, უფრო სწორედ ნოვოსიბირსკში, ამ მასალაზე ძალიან სერიოზულად მუშაობენ.

სილიკონმა, როგორც მიკროელექტრონიკის საფუძველმა, მყარად მოიპოვა პოზიცია მაღალტექნოლოგიურ სივრცეში და ეს შემთხვევით არ მომხდარა. პირველ რიგში, შედარებით ადვილია სილიკონისთვის სასურველი თვისებების მინიჭება. მეორეც, ის დიდი ხანია ცნობილია მეცნიერებისთვის და შორს არის შესწავლილი. მესამე მიზეზი არის ის, რომ მართლაც უზარმაზარი თანხები ჩაიდო სილიკონის ტექნოლოგიაში და ახლა ცოტა ადამიანი გაბედავს ახალ მასალაზე ფსონის დადებას. ყოველივე ამის შემდეგ, ამას დასჭირდება უზარმაზარი ინდუსტრიული სექტორის აღდგენა. უფრო სწორად, ააშენეთ იგი თითქმის ნულიდან.

თუმცა, არსებობს სხვა პრეტენდენტები ლიდერობისთვის, როგორც ნახევარგამტარული მასალა. მაგალითად, გრაფენი, რომელიც ძალიან მოდური გახდა ნობელის პრემიის მინიჭების შემდეგ მისი თვისებების შესწავლისთვის. ნამდვილად არსებობს სილიკონიდან მასზე გადასვლის მიზეზები, რადგან გრაფენს აქვს მრავალი მნიშვნელოვანი უპირატესობა. მაგრამ საბოლოოდ მივიღებთ თუ არა „ელექტრონიკას გრაფენზე“, ჯერჯერობით უცნობია, რადგან უპირატესობებთან ერთად არის ნაკლოვანებებიც.

მიკროელექტრონიკაში გრაფენის პერსპექტივებზე და მის უნიკალურ თვისებებზე სასაუბროდ ნოვოსიბირსკში შევხვდით არაორგანული ქიმიის ინსტიტუტის მთავარ მკვლევარს. A.V. Nikolaev SB RAS, ქიმიურ მეცნიერებათა დოქტორი, პროფესორი ვლადიმერ ფედოროვი.

ალა არშინოვა: ვლადიმირ ეფიმოვიჩ, როგორია სილიციუმის ამჟამინდელი პოზიცია მიკროელექტრონიკაში?

ვლადიმერ ფედოროვი: სილიკონი დიდი ხანია გამოიყენება ინდუსტრიაში, როგორც მთავარი ნახევარგამტარული მასალა. ფაქტია, რომ ის ადვილად დოპინგია, ანუ მასში შეიძლება დაემატოს სხვადასხვა ელემენტების ატომები, რომლებიც კონკრეტულად ცვლის ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებს. მაღალი სისუფთავის სილიკონის ეს მოდიფიკაცია შესაძლებელს ხდის n- ან p-ტიპის ნახევარგამტარული მასალების მიღებას. ამრიგად, სილიციუმის მიმართული დოპინგი არეგულირებს მიკროელექტრონიკისთვის მნიშვნელოვანი მასალების ფუნქციურ თვისებებს.

სილიკონი მართლაც უნიკალური მასალაა და სწორედ ამიტომაა მასში ჩადებული ამდენი ძალისხმევა, ფული და ინტელექტუალური რესურსი. სილიციუმის ფუნდამენტური თვისებები იმდენად დეტალურად არის შესწავლილი, რომ გავრცელებულია მოსაზრება, რომ მისი შემცვლელი უბრალოდ შეუძლებელია. თუმცა, გრაფენის ბოლოდროინდელმა კვლევებმა მწვანე შუქი აჩვენა სხვა მოსაზრებას, ეს არის ის, რომ ახალი მასალები შეიძლება განვითარდეს იმ დონემდე, რომ მათ შეეძლოთ სილიკონის ჩანაცვლება.

სილიკონის კრისტალური სტრუქტურა

ასეთი დისკუსიები მეცნიერებაში პერიოდულად იბადება და, როგორც წესი, მხოლოდ სერიოზული კვლევის შემდეგ წყდება. მაგალითად, ცოტა ხნის წინ მსგავსი სიტუაცია იყო მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარებთან დაკავშირებით. 1986 წელს ბედნორზმა და მიულერმა აღმოაჩინეს ზეგამტარობა ბარიუმ-ლანთან-სპილენძის ოქსიდში (ამ აღმოჩენისთვის მათ მიენიჭათ ნობელის პრემია 1987 წელს - აღმოჩენიდან ერთი წლის შემდეგ!), რომელიც დაფიქსირდა მნიშვნელობებზე საგრძნობლად მაღალ ტემპერატურაზე. ზეგამტარი მასალების ადრე ცნობილი დროის დამახასიათებელი. უფრო მეტიც, კუპრატის ზეგამტარი ნაერთების სტრუქტურა მნიშვნელოვნად განსხვავდებოდა დაბალი ტემპერატურის ზეგამტარებისგან. შემდეგ დაკავშირებული სისტემების კვლევების ზვავმა გამოიწვია მასალების წარმოება 90 K და უფრო მაღალი ზეგამტარი გარდამავალი ტემპერატურის მქონე მასალებით. ეს იმას ნიშნავდა, რომ ძვირადღირებული და კაპრიზული თხევადი ჰელიუმის ნაცვლად, თხევადი აზოტი შეიძლება გამოვიყენოთ როგორც გამაგრილებელი - ბუნებაში ბევრია ის აირისებრი ფორმით და გარდა ამისა, ის მნიშვნელოვნად იაფია, ვიდრე ჰელიუმი.

მაგრამ, სამწუხაროდ, ეს ეიფორია მალევე გაქრა ახალი მაღალტემპერატურული ზეგამტარების ფრთხილად კვლევის შემდეგ. ეს პოლიკრისტალური მასალები, ისევე როგორც სხვა რთული ოქსიდები, ჰგავს კერამიკას: ისინი მყიფეა და არამდგრადია. აღმოჩნდა, რომ თითოეული ბროლის ზეგამტარობას აქვს კარგი პარამეტრები, მაგრამ კომპაქტურ ნიმუშებში კრიტიკული დენები საკმაოდ დაბალია, რაც გამოწვეულია მასალის მარცვლებს შორის სუსტი კონტაქტებით. სუსტი ჯოზეფსონის შეერთებები ზეგამტარ მარცვლებს შორის არ იძლევა მაღალი ზეგამტარობის მახასიათებლების მქონე მასალის (მაგალითად, მავთულის) წარმოების საშუალებას.

მზის ბატარეა, რომელიც დაფუძნებულია პოლიკრისტალურ სილიკონზე

იგივე სიტუაცია შეიძლება მოხდეს გრაფენთან დაკავშირებით. ამჟამად მისთვის ძალიან საინტერესო თვისებებია აღმოჩენილი, მაგრამ ჯერ კიდევ ვრცელი კვლევაა ჩასატარებელი, რათა საბოლოო პასუხი გასცეს კითხვას ამ მასალის სამრეწველო მასშტაბით წარმოებისა და ნანოელექტრონიკაში გამოყენების შესაძლებლობის შესახებ.

ალა არშინოვა: გთხოვთ ამიხსნათ რა არის გრაფინი და რით განსხვავდება იგი გრაფიტისაგან?

ვლადიმერ ფედოროვი: გრაფენი ნახშირბადის ატომებისგან წარმოქმნილი მონოატომური ფენაა, რომელსაც გრაფიტის მსგავსად აქვს თაფლისებრი გისოსი. და გრაფიტი არის, შესაბამისად, გრაფენის ფენები ერთმანეთზე დაწყობილი. გრაფიტის გრაფენის ფენები ერთმანეთთან დაკავშირებულია ძალიან სუსტი ვან დერ ვაალსის ბმებით, რის გამოც საბოლოო ჯამში შესაძლებელია მათი ერთმანეთისგან გაწყვეტა. როდესაც ჩვენ ვწერთ ფანქრით, ეს არის მაგალითი იმისა, თუ როგორ მოვიშორეთ გრაფიტის ფენები. მართალია, ქაღალდზე დარჩენილი ფანქრის კვალი ჯერ არ არის გრაფენი, არამედ გრაფენის მრავალშრიანი სტრუქტურა.

ახლა ყველა ბავშვს შეუძლია სერიოზულად თქვას, რომ ის არა მხოლოდ გადასცემს ქაღალდს, არამედ ქმნის კომპლექსურ გრაფენის მრავალშრიან სტრუქტურას

მაგრამ თუ შესაძლებელია ასეთი სტრუქტურის ერთ ფენად გაყოფა, მაშინ მიიღება ნამდვილი გრაფენი. მსგავსი გაყოფა განახორციელეს წლევანდელი ნობელის პრემიის ლაურეატებმა ფიზიკაში, გეიმმა და ნოვოსელოვმა. მათ მოახერხეს გრაფიტის გაყოფა ლენტის გამოყენებით და ამ „გრაფიტის ფენის“ თვისებების შესწავლის შემდეგ აღმოჩნდა, რომ მას აქვს ძალიან კარგი პარამეტრები მიკროელექტრონიკაში გამოსაყენებლად. გრაფენის ერთ-ერთი შესანიშნავი თვისებაა მისი მაღალი ელექტრონების მობილურობა. მათი თქმით, გრაფენი გახდება შეუცვლელი მასალა კომპიუტერებისთვის, ტელეფონებისთვის და სხვა აღჭურვილობისთვის. რატომ? რადგან ამ სფეროში შეიმჩნევა ინფორმაციის დამუშავების პროცედურების დაჩქარების ტენდენცია. ეს პროცედურები დაკავშირებულია საათის სიჩქარესთან. რაც უფრო მაღალია ოპერაციული სიხშირე, მით მეტი ოპერაციების დამუშავება შეიძლება ერთეულ დროში. ამიტომ, დამუხტვის მატარებლების სიჩქარე ძალიან მნიშვნელოვანია. აღმოჩნდა, რომ მუხტის მატარებლები გრაფენში იქცევიან როგორც რელატივისტური ნაწილაკები ნულოვანი ეფექტური მასით. გრაფენის ეს თვისებები ნამდვილად იძლევა იმედს, რომ შესაძლებელი იქნება მოწყობილობების შექმნა, რომლებსაც შეუძლიათ ტერაჰერცის სიხშირეებზე მუშაობა, რომლებიც მიუწვდომელია სილიკონისთვის. ეს არის მასალის ერთ-ერთი ყველაზე საინტერესო თვისება.

ნობელის პრემიის ლაურეატები ფიზიკაში 2010 ანდრე გეიმი და კონსტანტინე ნოვოსელოვი

მოქნილი და გამჭვირვალე ფილმების მიღება შესაძლებელია გრაფენისგან, რაც ასევე ძალიან საინტერესოა მრავალი აპლიკაციისთვის. კიდევ ერთი პლიუსი არის ის, რომ ეს არის ძალიან მარტივი და ძალიან მსუბუქი მასალა, სილიკონზე მსუბუქი; გარდა ამისა, ბუნებაში ბევრი ნახშირბადია. ამიტომ, თუ ისინი ნამდვილად იპოვიან გზას გამოიყენონ ეს მასალა მაღალ ტექნოლოგიებში, მაშინ, რა თქმა უნდა, მას კარგი პერსპექტივა ექნება და, შესაძლოა, საბოლოოდ ჩაანაცვლოს სილიკონი.

მაგრამ არსებობს ერთი ფუნდამენტური პრობლემა, რომელიც დაკავშირებულია დაბალი განზომილებიანი გამტარების თერმოდინამიკური სტაბილურობასთან. როგორც ცნობილია, მყარი იყოფა სხვადასხვა სივრცულ სისტემებად; მაგალითად, 3D (სამგანზომილებიანი) სისტემა მოიცავს მოცულობითი კრისტალებს. ორგანზომილებიანი (2D) სისტემები წარმოდგენილია ფენიანი კრისტალებით. და ჯაჭვის სტრუქტურები ეკუთვნის ერთგანზომილებიან (1D) სისტემას. ასე რომ, დაბალგანზომილებიანი - 1D ჯაჭვი და 2D ფენიანი სტრუქტურები მეტალის თვისებებით არ არის სტაბილური თერმოდინამიკური თვალსაზრისით; ტემპერატურის კლებასთან ერთად ისინი გადაიქცევიან სისტემად, რომელიც კარგავს მეტალის თვისებებს. ეს არის ე.წ. მეტალ-დიელექტრიკული გადასვლები. რამდენად სტაბილური იქნება გრაფენის მასალები ზოგიერთ მოწყობილობაში, გასარკვევია. რა თქმა უნდა, გრაფინი საინტერესოა, როგორც ელექტროფიზიკური თვისებების, ასევე მექანიკური თვალსაზრისით. ითვლება, რომ გრაფენის მონოლითური ფენა ძალიან ძლიერია.

ალა არშინოვა: ბრილიანტზე ძლიერი?

ვლადიმერ ფედოროვი: ალმასს აქვს სამგანზომილებიანი ბმები და მექანიკურად ძალიან ძლიერია. გრაფიტში, სიბრტყეში ატომთაშორისი ბმები იგივეა, შესაძლოა უფრო ძლიერიც კი. ფაქტია, რომ თერმოდინამიკური თვალსაზრისით ბრილიანტი გრაფიტად უნდა იქცეს, რადგან გრაფიტი ბრილიანტზე უფრო სტაბილურია. მაგრამ ქიმიაში არსებობს ორი მნიშვნელოვანი ფაქტორი, რომელიც აკონტროლებს ტრანსფორმაციის პროცესს: ფაზების თერმოდინამიკური სტაბილურობა და პროცესის კინეტიკა, ანუ ერთი ფაზის მეორეში გადაქცევის სიჩქარე. ასე რომ, ბრილიანტები საუკუნეების განმავლობაში დევს მსოფლიოს მუზეუმებში და არ სურთ გრაფიტად გადაქცევა, თუმცა უნდა. შესაძლოა, მილიონობით წელიწადში ისინი მაინც გადაიქცნენ გრაფიტად, თუმცა ეს დიდი სამწუხარო იქნება. ოთახის ტემპერატურაზე ალმასის გრაფიტად გადაქცევის პროცესი ძალიან ნელი ტემპით ხდება, მაგრამ თუ ალმასს მაღალ ტემპერატურაზე გააცხელებთ, მაშინ კინეტიკური ბარიერის გადალახვა უფრო ადვილი იქნება და ეს აუცილებლად მოხდება.

გრაფიტი ორიგინალური სახით

ალა არშინოვა: დიდი ხანია ცნობილია, რომ გრაფიტი შეიძლება დაიყოს ძალიან თხელ ფანტელებად. რა იყო მაშინ 2010 წლის ნობელის პრემიის ლაურეატების მიღწევა ფიზიკაში?

ვლადიმერ ფედოროვი: თქვენ ალბათ იცნობთ ისეთ პერსონაჟს, როგორიცაა პეტრიკი. ანდრეი გეიმსა და კონსტანტინე ნოვოსელოვს ნობელის პრემიის გადაცემის შემდეგ მან განაცხადა, რომ მას ნობელის პრემია მოპარეს. საპასუხოდ გეიმმა თქვა, რომ მართლაც, ასეთი მასალები დიდი ხნის განმავლობაში იყო ცნობილი, მაგრამ მათ პრიზი მიენიჭათ გრაფენის თვისებების შესასწავლად და არა მისი წარმოების მეთოდის აღმოჩენისთვის. სინამდვილეში, მათი დამსახურებაა ის, რომ მათ შეძლეს ძალიან კარგი ხარისხის გრაფენის ფენების გამოყოფა მაღალორიენტირებული გრაფიტიდან და მათი თვისებების დეტალურად შესწავლა. გრაფენის ხარისხი ძალიან მნიშვნელოვანია, როგორც სილიკონის ტექნოლოგიაში. როდესაც მათ ისწავლეს, თუ როგორ უნდა მიეღოთ სილიკონი ძალიან მაღალი ხარისხის სისუფთავით, მხოლოდ მაშინ გახდა შესაძლებელი მასზე დაფუძნებული ელექტრონიკა. იგივე სიტუაციაა გრაფენთან დაკავშირებით. გეიმმა და ნოვოსელოვმა აიღეს ძალიან სუფთა გრაფიტი სრულყოფილი შრეებით, მოახერხეს ერთი ფენის გაყოფა და მისი თვისებები შეისწავლეს. მათ პირველებმა დაამტკიცეს, რომ ამ მასალას აქვს უნიკალური თვისებების ნაკრები.

ალა არშინოვა: საზღვარგარეთ მოღვაწე რუსული ფესვების მქონე მეცნიერებისთვის ნობელის პრემიის მინიჭებასთან დაკავშირებით, ჩვენი თანამემამულეები, მეცნიერებისგან შორს, აინტერესებთ, შესაძლებელი იყო თუ არა იგივე შედეგების მიღწევა აქ, რუსეთში?

ვლადიმერ ფედოროვი: ალბათ ეს შესაძლებელი იყო. ისინი უბრალოდ წავიდნენ შესაფერის დროს. მათი პირველი სტატია, რომელიც გამოქვეყნდა Nature-ში, იყო თანაავტორი ჩერნოგოლოვკის რამდენიმე მეცნიერთან ერთად. როგორც ჩანს, ამ მიმართულებით მუშაობდნენ ჩვენი რუსი მკვლევარებიც. მაგრამ მისი დამაჯერებლად დასრულება ვერ მოხერხდა. Სამწუხაროა. შესაძლოა, ერთ-ერთი მიზეზი უცხოურ სამეცნიერო ლაბორატორიებში მუშაობისთვის უფრო ხელსაყრელი პირობებია. მე ახლახან ჩამოვედი კორეიდან და შემიძლია შევადარო სამუშაო პირობები, რომელიც იქ მომცეს სახლში მუშაობასთან. ასე რომ, იქ არაფრით არ ვიყავი დაკავებული, მაგრამ სახლში ვიყავი სავსე რუტინული მოვალეობებით, რომლებიც დიდ დროს მატარებდა და მუდმივად მაშორებდა მთავარისგან. მე მომაწოდეს ყველაფერი რაც მჭირდებოდა და ეს საოცარი სისწრაფით გაკეთდა. მაგალითად, თუ რაიმე რეაგენტი მჭირდება, ჩანაწერს ვწერ და მეორე დღეს მომიტანენ. ვეჭვობ, ნობელის პრემიის ლაურეატებსაც აქვთ ძალიან კარგი სამუშაო პირობები. აჰა, საკმაო გამძლეობა ჰქონდათ: ბევრჯერ ცდილობდნენ კარგი მასალის მოპოვებას და ბოლოს წარმატებასაც მიაღწიეს. მათ მართლაც დიდი დრო და ძალისხმევა დახარჯეს ამაზე და ამ თვალსაზრისით ჯილდოც დამსახურებულად მიენიჭათ.

ალა არშინოვა: კონკრეტულად რა უპირატესობა აქვს გრაფენს სილიკონთან შედარებით?

ვლადიმერ ფედოროვი: ჯერ ერთი, უკვე ვთქვით, რომ მას აქვს მატარებლების მაღალი მობილურობა, როგორც ფიზიკოსები ამბობენ, მუხტის მატარებლებს არ აქვთ მასა. მასა ყოველთვის ანელებს მოძრაობას. ხოლო გრაფენში ელექტრონები ისე მოძრაობენ, რომ შეიძლება ჩაითვალოს უმასო. ეს თვისება უნიკალურია: თუ არსებობს მსგავსი თვისებების მქონე სხვა მასალები და ნაწილაკები, ისინი ძალზე იშვიათია. ეს არის ის, რისთვისაც გრაფენი კარგი აღმოჩნდა და ამიტომაც ის დადებითად ადარებს სილიკონს.

მეორეც, გრაფენს აქვს მაღალი თბოგამტარობა და ეს ძალიან მნიშვნელოვანია ელექტრონული მოწყობილობებისთვის. ის ძალიან მსუბუქია, ხოლო გრაფენის ფურცელი გამჭვირვალე და მოქნილი და შეიძლება შემოხვევა. გრაფენი შეიძლება იყოს ძალიან იაფი, თუ შემუშავდება მისი წარმოების ოპტიმალური მეთოდები. თამაშის და ნოვოსელოვის მიერ დემონსტრირებული „შოტლანდიური ლენტის მეთოდი“ ხომ არ არის ინდუსტრიული. ეს მეთოდი აწარმოებს მართლაც მაღალი ხარისხის ნიმუშებს, მაგრამ ძალიან მცირე რაოდენობით, მხოლოდ კვლევისთვის.

ახლა კი ქიმიკოსები გრაფენის წარმოების სხვა გზებს ავითარებენ. ყოველივე ამის შემდეგ, თქვენ უნდა მიიღოთ დიდი ფურცლები, რომ გრაფენის წარმოება ნაკადში დააყენოთ. ამ საკითხებთან გვაქვს აქაც არაორგანული ქიმიის ინსტიტუტში. თუ ისინი ისწავლიან გრაფენის სინთეზს ისეთი მეთოდების გამოყენებით, რომლებიც შესაძლებელს გახდის მაღალი ხარისხის მასალის წარმოებას სამრეწველო მასშტაბით, მაშინ არის იმედი, რომ ის რევოლუციას მოახდენს მიკროელექტრონიკაში.

ალა არშინოვა: როგორც ყველამ ალბათ უკვე იცის მედიიდან, გრაფენის მრავალშრიანი სტრუქტურის მიღება შესაძლებელია ფანქრისა და წებოვანი ლენტის გამოყენებით. რა არის გრაფენის წარმოების ტექნოლოგია, რომელიც გამოიყენება სამეცნიერო ლაბორატორიებში?

ვლადიმერ ფედოროვი: არსებობს რამდენიმე მეთოდი. ერთ-ერთი მათგანი დიდი ხანია ცნობილია, ის ემყარება გრაფიტის ოქსიდის გამოყენებას. მისი პრინციპი საკმაოდ მარტივია. გრაფიტი მოთავსებულია ძლიერ დაჟანგვის ნივთიერებების ხსნარში (მაგალითად, გოგირდის, აზოტის მჟავას და ა.შ.) და გაცხელებისას იწყებს ურთიერთქმედებას ჟანგვის აგენტებთან. ამ შემთხვევაში, გრაფიტი იყოფა რამდენიმე ფურცლად ან თუნდაც ერთატომურ ფენად. მაგრამ მიღებული მონოფენები არ არის გრაფენი, არამედ არის დაჟანგული გრაფენი, რომელიც შეიცავს მიმაგრებულ ჟანგბადს, ჰიდროქსილს და კარბოქსილის ჯგუფებს. ახლა მთავარი ამოცანაა ამ ფენების გრაფენის აღდგენა. ვინაიდან ჟანგვის შედეგად წარმოიქმნება მცირე ნაწილაკები, ისინი უნდა იყოს ერთმანეთთან წებოვანი, რათა მიიღოთ მონოლითი. ქიმიკოსთა ძალისხმევა მიმართულია იმის გაგებაზე, თუ როგორ არის შესაძლებელი გრაფიტის ოქსიდისგან გრაფენის ფურცლის დამზადება, რომლის წარმოების ტექნოლოგია ცნობილია.

არსებობს კიდევ ერთი მეთოდი, ასევე საკმაოდ ტრადიციული და დიდი ხნის განმავლობაში ცნობილი - ეს არის ქიმიური ორთქლის დეპონირება აირისებრი ნაერთების მონაწილეობით. მისი არსი შემდეგია. ჯერ რეაქციის ნივთიერებები სუბლიმირებულია აირის ფაზაში, შემდეგ გადადიან მაღალ ტემპერატურაზე გახურებულ სუბსტრატში, რომელზედაც დეპონირებულია სასურველი ფენები. მას შემდეგ რაც შეირჩევა საწყისი რეაგენტი, როგორიცაა მეთანი, ის შეიძლება დაიშალა ისე, რომ წყალბადი გაიყოს და ნახშირბადი დარჩეს სუბსტრატზე. მაგრამ ამ პროცესების კონტროლი რთულია და ძნელია იდეალური ფენის მიღება.

გრაფენი ნახშირბადის ერთ-ერთი ალოტროპული მოდიფიკაციაა

არსებობს კიდევ ერთი მეთოდი, რომელიც ახლა იწყებს აქტიურად გამოყენებას - ინტერკალირებული ნაერთების გამოყენების მეთოდი. გრაფიტში, ისევე როგორც სხვა ფენოვან ნაერთებში, ფენებს შორის შეიძლება განთავსდეს სხვადასხვა ნივთიერების მოლეკულები, რომლებსაც უწოდებენ "სტუმრის მოლეკულებს". გრაფიტი არის „მასპინძლის“ მატრიცა, სადაც ჩვენ ვაწვდით „სტუმრებს“. როდესაც სტუმრები მასპინძლის გისოსში ხვდებიან, ფენები ბუნებრივად გამოიყოფა. ეს არის ზუსტად ის, რაც საჭიროა: ინტერკალაციის პროცესი არღვევს გრაფიტს. ინტერკალირებული ნაერთები ძალიან კარგი წინამორბედებია გრაფენის წარმოებისთვის - თქვენ უბრალოდ უნდა ამოიღოთ „სტუმრები“ იქიდან და თავიდან აიცილოთ ფენები გრაფიტში ხელახლა დაშლაში. ამ ტექნოლოგიაში მნიშვნელოვანი ნაბიჯია კოლოიდური დისპერსიების მიღების პროცესი, რომელიც შეიძლება გარდაიქმნას გრაფენის მასალებად. ჩვენს ინსტიტუტში ჩვენ მხარს ვუჭერთ ზუსტად ამ მიდგომას. ჩვენი აზრით, ეს არის ყველაზე მოწინავე მიმართულება, საიდანაც ძალიან კარგი შედეგებია მოსალოდნელი, რადგან იზოლირებული ფენების მიღება ყველაზე მარტივად და ეფექტურად შეიძლება სხვადასხვა ტიპის ინტერკალირებული ნაერთებისგან.

გრაფენის აგებულება თაფლისებრს ჰგავს. ბოლო დროს კი ძალიან "ტკბილ" თემად იქცა

არსებობს კიდევ ერთი მეთოდი, რომელსაც ტოტალურ ქიმიურ სინთეზს უწოდებენ. ეს მდგომარეობს იმაში, რომ აუცილებელი "თაფლის საჭეები" იკრიბება მარტივი ორგანული მოლეკულებისგან. ორგანულ ქიმიას აქვს ძალიან განვითარებული სინთეზური აპარატურა, რომელიც საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ მოლეკულების უზარმაზარი მრავალფეროვნება. ამიტომ ისინი ცდილობენ მიიღონ გრაფენის სტრუქტურები ქიმიური სინთეზით. აქამდე შესაძლებელი იყო გრაფენის ფურცლის შექმნა, რომელიც შედგება დაახლოებით ორასი ნახშირბადის ატომისგან.

შემუშავებულია გრაფენის სინთეზის სხვა მიდგომები. მრავალი პრობლემის მიუხედავად, მეცნიერება ამ მიმართულებით წარმატებით მიიწევს წინ. არსებობს მაღალი ხარისხის ნდობა, რომ არსებული დაბრკოლებები გადაილახება და გრაფენი ახალ ეტაპს მოუტანს მაღალი ტექნოლოგიების განვითარებას.

ქიმიურ მეცნიერებათა კანდიდატი ტატიანა ზიმინა.

2010 წლის ნობელის პრემია ფიზიკაში მიენიჭა გრაფენის, ორგანზომილებიანი მასალის კვლევისთვის, რომელიც უჩვეულო და ამავე დროს ძალიან სასარგებლო თვისებებს ავლენს. მისი აღმოჩენა გვპირდება არა მხოლოდ ახალ ტექნოლოგიებს, არამედ ფუნდამენტური ფიზიკის განვითარებას, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ახალი ცოდნა მატერიის სტრუქტურის შესახებ. ფიზიკაში წლევანდელი ნობელის პრემიის ლაურეატები არიან ანდრე გეიმი და კონსტანტინე ნოვოსელოვი, მანჩესტერის უნივერსიტეტის პროფესორები (დიდი ბრიტანეთი), მოსკოვის ფიზიკისა და ტექნოლოგიების ინსტიტუტის კურსდამთავრებულები.

ნახშირბადის ატომები გრაფენში ქმნიან ორგანზომილებიან კრისტალს ექვსკუთხა ფორმის უჯრედებით.

2010 წლის ნობელის პრემიის ლაურეატი ფიზიკაში ანდრე გეიმი (დაიბადა 1958 წელს) არის მანჩესტერის უნივერსიტეტის პროფესორი (დიდი ბრიტანეთი). დაამთავრა მოსკოვის ფიზიკა-ტექნიკური ინსტიტუტი, დაიცვა სადოქტორო დისერტაცია მყარი მდგომარეობის ფიზიკის ინსტიტუტში (ჩერნოგოლო).

2010 წლის ნობელის პრემიის ლაურეატი ფიზიკაში კონსტანტინე ნოვოსელოვი (დაიბადა 1974 წელს) არის მანჩესტერის უნივერსიტეტის პროფესორი (დიდი ბრიტანეთი) და დაამთავრა მოსკოვის ფიზიკისა და ტექნოლოგიის ინსტიტუტი. მუშაობდა მიკროელექტრონული ტექნოლოგიების პრობლემურ ინსტიტუტში და განსაკუთრებით

გრაფენი ნახშირბადის ერთ-ერთი ალოტროპული ფორმაა. იგი პირველად მიიღეს გრაფიტის თხელი ფენების თანდათანობითი პილინგით. გრაფენი ხვდება ნანომილის ან ფულერენის წარმოქმნით.

გრაფენის ერთ-ერთი შესაძლო გამოყენება არის მის საფუძველზე ახალი ტექნოლოგიის შექმნა დნმ-ის ქიმიური სტრუქტურის (თანმიმდევრობის) გაშიფვრის მიზნით. მეცნიერები კავლის ნანომეცნიერების ინსტიტუტიდან, ნიდერლანდები, პროფესორ დეკის ხელმძღვანელობით.

გრაფენი, მასალა მხოლოდ ერთი ატომის სისქით, აგებულია ნახშირბადის ატომების „ბადედან“, რომელიც თაფლის საჭის მსგავსად არის მოწყობილი ექვსკუთხა ფორმის უჯრედებად. ეს არის ნახშირბადის კიდევ ერთი ალოტროპული ფორმა გრაფიტთან, ბრილიანტთან, ნანომილაკებთან და ფულერენთან ერთად. მასალას აქვს შესანიშნავი ელექტროგამტარობა, კარგი თბოგამტარობა, მაღალი სიმტკიცე და თითქმის მთლიანად გამჭვირვალეა.

გრაფენის წარმოების იდეა „იდევს“ გრაფიტის კრისტალურ გისოსს, რომელიც არის ფენიანი სტრუქტურა, რომელიც წარმოიქმნება ნახშირბადის ატომების თავისუფლად შეკრული ფენებით. ანუ, გრაფიტი, ფაქტობრივად, შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც გრაფენის ფენების ერთობლიობა (ორგანზომილებიანი კრისტალები) ერთმანეთთან დაკავშირებული.

გრაფიტი არის ფენიანი მასალა. სწორედ ეს თვისება გამოიყენეს ნობელის პრემიის ლაურეატებმა გრაფენის წარმოებისთვის, მიუხედავად იმისა, რომ თეორიამ იწინასწარმეტყველა (და წინა ექსპერიმენტებმაც დაადასტურა), რომ ორგანზომილებიანი ნახშირბადის მასალა ვერ იარსებებს ოთახის ტემპერატურაზე - ის გარდაიქმნება ნახშირბადის სხვა ალოტროპულ ფორმებად, მაგალითად. , ჩამოყარეთ ნანომილები ან სფერული ფულერენი.

მეცნიერთა საერთაშორისო ჯგუფმა ანდრე გეიმის ხელმძღვანელობით, რომელშიც შედიოდნენ მკვლევარები მანჩესტერის უნივერსიტეტიდან (დიდი ბრიტანეთი) და მიკროელექტრონული ტექნოლოგიისა და მაღალი სუფთა მასალების ინსტიტუტიდან (ჩერნოგოლოვკა, რუსეთი), მიიღო გრაფენი გრაფიტის ფენების უბრალოდ მოცილებით. ამისათვის გრაფიტის კრისტალზე ჩვეულებრივი ლენტი დააწებეს და შემდეგ ამოიღეს: ფირზე რჩებოდა უწვრილესი ფირები, მათ შორის ერთშრიანი. (როგორ შეიძლება არ დაიმახსოვროთ: „ყველაფერი გენიალური მარტივია“!) მოგვიანებით ამ ტექნიკით მიიღეს სხვა ორგანზომილებიანი მასალები, მათ შორის მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარი Bi-Sr-Ca-Cu-O.

ახლა ამ მეთოდს ეწოდება "მიკრომექანიკური აქერცვლა", ის საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ უმაღლესი ხარისხის გრაფენის ნიმუშები 100 მიკრონი ზომით.

მომავალი ნობელის პრემიის ლაურეატების კიდევ ერთი შესანიშნავი იდეა იყო გრაფენის დეპონირება სილიციუმის ოქსიდის (SiO 2) სუბსტრატზე. ამ პროცედურის წყალობით გრაფენის მიკროსკოპით დაკვირვება (ოპტიკურიდან ატომურ ძალამდე) და შესწავლა შესაძლებელი გახდა.

ახალ მასალასთან პირველმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ მეცნიერთა ხელში არის არა მხოლოდ ნახშირბადის სხვა ფორმა, არამედ მასალების ახალი კლასი თვისებებით, რომლებიც ყოველთვის არ შეიძლება იყოს აღწერილი მყარი მდგომარეობის ფიზიკის კლასიკური თეორიის თვალსაზრისით.

მიღებულ ორგანზომილებიან მასალას, როგორც ნახევარგამტარს, აქვს გამტარობა, როგორც ერთ-ერთი საუკეთესო ლითონის გამტარი - სპილენძი. მის ელექტრონებს აქვთ ძალიან მაღალი მობილურობა, რაც განპირობებულია მისი კრისტალური სტრუქტურის თავისებურებებით. ცხადია, გრაფენის ეს ხარისხი, ნანომეტრის სისქესთან ერთად, აქცევს მას კანდიდატ მასალად, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს სილიკონი ელექტრონიკაში, მათ შორის მომავალ მაღალსიჩქარიან კომპიუტერებში. მკვლევარები თვლიან, რომ გრაფენის ნანოელექტრონიკის ახალი კლასი, რომლის ბაზის ტრანზისტორის სისქე არ აღემატება 10 ნმ (გრაფენზე უკვე მიღებულია ველის ეფექტის ტრანზისტორი) ახლოს არის.

ფიზიკოსები ახლა მუშაობენ გრაფენში ელექტრონების მობილობის კიდევ უფრო გაზრდის მიზნით. გამოთვლები აჩვენებს, რომ მასში მუხტის მატარებლების მობილურობის შეზღუდვა (და შესაბამისად გამტარობა) დაკავშირებულია დამუხტული მინარევების არსებობასთან SiO 2 სუბსტრატში. თუ ჩვენ ვისწავლით „თავისუფლად ჩამოკიდებული“ გრაფენის ფირის მიღებას, მაშინ ელექტრონის მობილურობა შეიძლება გაიზარდოს სიდიდის ორი რიგით - 2 × 10 6 სმ 2 / ვ-მდე. თან. ასეთი ექსპერიმენტები უკვე მიმდინარეობს და საკმაოდ წარმატებით. მართალია, თავისუფალ მდგომარეობაში იდეალური ორგანზომილებიანი ფილმი არასტაბილურია, მაგრამ თუ სივრცეში დეფორმირებულია (ანუ იდეალურად ბრტყელი არ არის, მაგრამ, მაგალითად, ტალღოვანი), მაშინ უზრუნველყოფილია სტაბილურობა. ასეთი ფილისგან შესაძლებელია, მაგალითად, ნანოელექტრომექანიკური სისტემის დამზადება - უაღრესად მგრძნობიარე გაზის სენსორი, რომელსაც შეუძლია რეაგირება მოახდინოს მის ზედაპირზე აღმოჩენილ ერთ მოლეკულაზეც კი.

გრაფინის სხვა შესაძლო გამოყენება: სუპერკონდენსატორების ელექტროდებში, მზის ბატარეებში, სხვადასხვა კომპოზიციური მასალების შესაქმნელად, მათ შორის ულტრა მსუბუქი და მაღალი სიმტკიცის (ავიაციისთვის, კოსმოსური ხომალდისთვის და ა.შ.), მოცემული გამტარობით. ეს უკანასკნელი შეიძლება ძალიან განსხვავდებოდეს. მაგალითად, სინთეზირებულია მასალა გრაფანი, რომელიც გრაფენისგან განსხვავებით არის იზოლატორი (იხ. „მეცნიერება და ცხოვრება“ No.). იგი მიიღეს საწყისი მასალის თითოეულ ნახშირბადის ატომს წყალბადის ატომის დამატებით. მნიშვნელოვანია, რომ საწყისი მასალის - გრაფენის - ყველა თვისება აღდგეს გრაფანის უბრალოდ გაცხელებით (გადუღებით). ამავდროულად, პლასტმასში (იზოლატორში) დამატებული გრაფენი მას გამტარად აქცევს.

გრაფენის თითქმის სრული გამჭვირვალობა ვარაუდობს მის გამოყენებას სენსორულ ეკრანებზე, და თუ გავიხსენებთ მის „სუპერ სიგამხდრეს“, მაშინ მისი გამოყენების პერსპექტივები მომავალ მოქნილ კომპიუტერებში (რომლებიც შეიძლება გაზეთების მსგავსად დაიხუროს), საათის სამაჯურებსა და რბილში. მსუბუქი პანელები გამჭვირვალეა.

მაგრამ მასალის ნებისმიერი გამოყენება მოითხოვს მის სამრეწველო წარმოებას, რისთვისაც ლაბორატორიულ კვლევებში გამოყენებული მიკრომექანიკური აქერცვლა არ არის შესაფერისი. ამიტომ, ახლა მსოფლიოში მუშავდება მისი მოპოვების უამრავი სხვა გზა. გრაფიტის მიკროკრისტალებიდან გრაფენის წარმოების ქიმიური მეთოდები უკვე შემოთავაზებულია. მაგალითად, ერთ-ერთი მათგანი აწარმოებს პოლიმერულ მატრიცაში ჩაშენებულ გრაფენს. ასევე აღწერილია ორთქლის დეპონირება და ზრდა მაღალ წნევასა და ტემპერატურაზე სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატებზე. ამ უკანასკნელ შემთხვევაში, რომელიც ყველაზე შესაფერისია სამრეწველო წარმოებისთვის, სუბსტრატის ზედაპირის ფენის თერმული დაშლისას წარმოიქმნება გრაფენის თვისებების მქონე ფილმი.

ახალი მასალის ღირებულება ფიზიკური კვლევის განვითარებისთვის ფანტასტიკურად დიდია. როგორც სერგეი მოროზოვი (რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის მიკროელექტრონული ტექნოლოგიებისა და უაღრესად სუფთა მასალების პრობლემების ინსტიტუტი), ანდრე გეიმი და კონსტანტინე ნოვოსელოვი აღნიშნავენ თავიანთ სტატიაში, რომელიც გამოქვეყნდა 2008 წელს ჟურნალში Uspekhi Fizicheskikh Nauk, „ფაქტობრივად, გრაფენი ხსნის ახალი სამეცნიერო პარადიგმა - "რელატივისტური" ფიზიკის მყარი მდგომარეობა, რომელშიც კვანტური რელატივისტური ფენომენები (რომელთაგან ზოგიერთი არ არის რეალიზებული მაღალი ენერგიის ფიზიკაშიც კი) ახლა შეიძლება შეისწავლოს ჩვეულებრივ ლაბორატორიულ პირობებში... პირველად მყარ მდგომარეობაში ექსპერიმენტი, შესაძლებელია კვანტური ელექტროდინამიკის ყველა ნიუანსისა და მრავალფეროვნების შესწავლა“. ანუ, ჩვენ ვსაუბრობთ იმაზე, რომ ბევრი ფენომენი, რომელთა შესწავლა მოითხოვდა უზარმაზარი ნაწილაკების ამაჩქარებლების აგებას, ახლა შეიძლება შეისწავლოს ბევრად უფრო მარტივი ხელსაწყოთი - მსოფლიოში ყველაზე თხელი მასალა.

ექსპერტის კომენტარი

ჩვენ ვფიქრობდით ველის ეფექტის ტრანზისტორზე...

რედაქტორებმა სთხოვეს კოლეგას და თანაავტორს კომენტარი გაეკეთებინა ნობელის პრემიის ლაურეატების ანდრე გეიმის და კონსტანტინე ნოვოსელოვის მუშაობის შედეგებზე. რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის (ჩერნოგოლოვკა) მიკროელექტრონიკისა და უაღრესად სუფთა მასალების ტექნოლოგიის ინსტიტუტის ლაბორატორიის ხელმძღვანელი სერგეი მოროზოვი პასუხობს "მეცნიერება და ცხოვრება" კორესპონდენტის ტატიანა ზიმინას კითხვებს.

როგორ გაჩნდა ორგანზომილებიანი ნახშირბადის მასალის მიღების იდეა? რასთან დაკავშირებით? ელოდით რაიმე უჩვეულო თვისებებს ნახშირბადის ამ ფორმისგან?

თავდაპირველად ჩვენი მიზანი არ იყო ნახევრადმეტალისგან ორგანზომილებიანი მასალის დამზადება, ჩვენ ვცდილობდით ველის ეფექტის ტრანზისტორის გაკეთებას. ლითონები, თუნდაც ერთი ატომის სისქით, ამისათვის არ არის შესაფერისი - მათ აქვთ ძალიან ბევრი თავისუფალი ელექტრონი. ჯერ გრაფიტის კრისტალისგან მივიღეთ ატომური სიბრტყეების თვლადი რაოდენობა, შემდეგ დავიწყეთ უფრო და უფრო თხელი ფირფიტების გაკეთება, სანამ არ მივიღეთ ერთატომური ფენა, ანუ გრაფენი.

გრაფენი თეორეტიკოსების მიერ დიდი ხნის განმავლობაში განიხილებოდა, მეოცე საუკუნის შუა ხანებიდან. მათ ასევე შემოიღეს ორგანზომილებიანი ნახშირბადის მასალის სახელი. სწორედ გრაფენი გახდა თეორეტიკოსებისთვის (მის ექსპერიმენტულ წარმოებამდე დიდი ხნით ადრე) ამოსავალი წერტილი ნახშირბადის სხვა ფორმების – გრაფიტის, ნანომილების, ფულერენების – თვისებების გამოსათვლელად. ის ასევე ყველაზე კარგად არის აღწერილი თეორიულად. რა თქმა უნდა, ექსპერიმენტულად აღმოჩენილი ზოგიერთი ეფექტი უბრალოდ არ იყო გათვალისწინებული თეორეტიკოსების მიერ. გრაფინის ელექტრონები იქცევიან რელატივისტური ნაწილაკების მსგავსად. მაგრამ არავის უფიქრია იმის შესწავლაზე, თუ როგორი იქნებოდა ჰოლის ეფექტი რელატივისტური ნაწილაკების შემთხვევაში. ჩვენ აღმოვაჩინეთ კვანტური ჰოლის ეფექტის ახალი ტიპი, რომელიც იყო გრაფენში ელექტრონული ქვესისტემის უნიკალურობის ერთ-ერთი პირველი ნათელი დადასტურება. იგივე შეიძლება ითქვას გრაფენის თანდაყოლილი კლაინის პარადოქსზე, რომელიც ცნობილია მაღალი ენერგიის ფიზიკიდან. ტრადიციულ ნახევარგამტარებში ან ლითონებში, ელექტრონებს შეუძლიათ გვირაბი გაივლონ პოტენციურ ბარიერებში, მაგრამ ალბათობით ერთზე მნიშვნელოვნად ნაკლები. გრაფენში ელექტრონები (როგორც რელატივისტური ნაწილაკები) შეაღწევენ უსასრულოდ მაღალი პოტენციალის ბარიერებსაც კი, არეკვლის გარეშე.

რატომ ითვლებოდა, რომ ორგანზომილებიანი ნახშირბადის მასალა (გრაფინი) არასტაბილური იქნებოდა ოთახის ტემპერატურაზე? და როგორ მოახერხეთ ამის მიღება მაშინ?

თეორეტიკოსების ადრეული ნაშრომი, რომელმაც აჩვენა ორგანზომილებიანი მასალების არასტაბილურობა, მოიხსენიებდა უსასრულო იდეალურ ორგანზომილებიან სისტემას. შემდგომმა მუშაობამ აჩვენა, რომ ორგანზომილებიან სისტემაში შორი დისტანციური წესრიგი (რომელიც თანდაყოლილია კრისტალური სხეულებისთვის - რედ.) კვლავ შეიძლება არსებობდეს სასრულ ტემპერატურაზე (ოთახის ტემპერატურა ბროლისთვის საკმაოდ დაბალი ტემპერატურაა). შეჩერებულ მდგომარეობაში მყოფი ნამდვილი გრაფენი აშკარად არ არის იდეალურად ბრტყელი, ის ოდნავ ტალღოვანია - მასში აწევის სიმაღლე ნანომეტრის რიგია. ეს "ტალღები" არ ჩანს ელექტრონულ მიკროსკოპში, მაგრამ არსებობს მათი სხვა დადასტურებები.

გრაფენი ნახევარგამტარია, თუ სწორად გავიგე. მაგრამ აქა-იქ ვპოულობ განმარტებას - ნახევრად მეტალი. მასალების რომელ კლასს მიეკუთვნება?

ნახევარგამტარებს აქვთ გარკვეული სიგანის ზოლის უფსკრული. გრაფენისთვის ის ნულია. ასე რომ, მას შეიძლება ეწოდოს ნულოვანი ზოლიანი ნახევარგამტარი ან ნულოვანი გადახურვის ნახევარგამტარი. ანუ ის შუალედურ პოზიციას იკავებს ნახევარგამტარებსა და ნახევარმეტალებს შორის.

პოპულარულ ლიტერატურაში აქა-იქ ნახსენებია სხვა ორგანზომილებიანი მასალები. თქვენი ჯგუფი ცდილობდა რომელიმე მათგანის მიღებას?

გრაფენის მიღებიდან ფაქტიურად ერთი წლის შემდეგ, ჩვენ მივიღეთ ორგანზომილებიანი მასალები სხვა ფენიანი კრისტალებიდან. ესენია, მაგალითად, ბორის ნიტრიდი, ზოგიერთი დიქალკოგენიდი და მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარი Bi-Sr-Ca-Cu-O. ისინი არ იმეორებდნენ გრაფენის თვისებებს - ზოგი მათგანი ძირითადად იზოლატორი იყო, ზოგს კი ძალიან დაბალი გამტარობა ჰქონდა. მრავალი კვლევითი ჯგუფი მთელს მსოფლიოში სწავლობს ორგანზომილებიან მასალებს. ჩვენ ამჟამად ვიყენებთ ბორის ნიტრიდს, როგორც სუბსტრატს გრაფენის სტრუქტურებისთვის. აღმოჩნდა, რომ ეს რადიკალურად აუმჯობესებს გრაფენის თვისებებს. ასევე, თუ ვსაუბრობთ გრაფენის გამოყენებაზე კომპოზიციური მასალების შესაქმნელად, ბორის ნიტრიდი მისი ერთ-ერთი მთავარი კონკურენტია.

- გრაფენის წარმოების რომელი მეთოდებია ყველაზე პერსპექტიული?

ჩემი აზრით, ახლა ორი ასეთი ძირითადი მეთოდი არსებობს. პირველი არის ზოგიერთი იშვიათი დედამიწის ლითონის, ასევე სპილენძისა და ნიკელის ფილმების ზრდა ზედაპირზე. შემდეგ გრაფენი უნდა გადავიდეს სხვა სუბსტრატებზე და მათ უკვე ისწავლეს ამის გაკეთება. ეს ტექნოლოგია შედის კომერციული განვითარების ეტაპზე.

კიდევ ერთი მეთოდია ზრდა სილიციუმის კარბიდზე. მაგრამ კარგი იქნება, თუ როგორ უნდა გაიზარდოს გრაფენი სილიკონზე, რომელზედაც აგებულია ყველა თანამედროვე ელექტრონიკა. შემდეგ გრაფენის მოწყობილობების განვითარება ნახტომებით და საზღვრებით წავა, რადგან გრაფენის ელექტრონიკა ბუნებრივად გააფართოვებს ტრადიციული მიკროელექტრონიკის ფუნქციონირებას.