아라핀 발견으로 노벨상 수상. 러시아의 '쓰레기 물리학자들'이 노벨상을 받은 방법

2010년 노벨 물리학상 수상자 명단이 스톡홀름에서 발표되었습니다. 그들은 안드레이 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 교수였습니다. 영국 맨체스터 대학에서 근무하는 두 수상자 모두 러시아 출신입니다. 52세의 안드레이 가임(Andrey Geim)은 네덜란드 시민이고, 36세의 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)는 러시아와 영국 시민권을 갖고 있다.

올해 약 150만 달러 상당의 세계에서 가장 권위 있는 과학상은 원자 1개 두께의 탄소막인 초박형, 내구성이 뛰어난 소재인 그래핀을 발견한 과학자들에게 수여되었습니다.

Around the World 잡지의 과학 편집자인 Alexander Sergeev는 Radio Liberty에서 그래핀 발견에서 발생한 어려움과 이 물질의 실제 적용에 대해 이야기합니다.

과학자들이 그래핀을 얻었다는 사실 자체가 놀랍습니다. 이론적으로 그래핀은 합성되기 반세기 전에 예측되었습니다. 학교에서는 모두가 흑연의 구조를 연구했습니다. 이것은 일반 연필입니다. 탄소 원자는 서로 반복적으로 겹쳐지는 얇은 층을 형성합니다. 각 층은 벌집처럼 서로 맞는 육각형 셀로 구성됩니다.

문제는 위와 아래의 레이어를 하나의 레이어로 분리하는 것이었습니다. 3차원이 없기 때문에 소위 말하는 이 2차원 결정의 단일 층에 대해 여러 가지 흥미로운 물리적 특성이 예측되었습니다. 많은 실험이 수행되었습니다. 그러나 안정적인 결과를 바탕으로 한 레이어를 다른 레이어로부터 분리하는 것은 불가능했습니다.

Andrey Geim과 Konstantin Novoselov는 이 레이어를 선택하고 나중에 그것이 실제로 레이어인지 확인할 수 있는 방법을 고안했습니다. 그런 다음 과학자들은 물리적 특성을 측정하고 이론적 예측이 어느 정도 정확하다는 것을 확인할 수 있었습니다. 이 실험은 매우 간단합니다. 과학자들은 흑연 조각인 일반 연필을 사용했습니다. 접착 테이프를 사용하여 흑연 층을 제거한 다음 벗겨 내기 시작했습니다. 1~2개의 층이 남으면 흑연을 실리콘 기판으로 옮겼다.

이전 실험이 모두 실패한 이유는 무엇입니까? 왜냐하면 2차원 탄소 결정인 그래핀 필름은 비틀림에 불안정하기 때문입니다. 자유 상태가 되자마자 즉시 구겨지기 시작합니다. 그래핀을 분리하는 것은 불가능하다는 의견도 있었다. 과학자들의 작업은 2004년에 완료되었으며 2009년에 이미 그래핀 조각이 얻어졌습니다. 즉, 거의 1cm 크기의 그래핀 시트입니다. 이제 우리는 수십 센티미터에 대해 이야기하고 있습니다.

- 이 그래핀이 왜 필요한가요?

이제 모든 전자 장치는 트랜지스터, 전극 등 요소의 크기를 줄이는 방향으로 움직이고 있습니다. 프로세서 내부의 요소가 작을수록 더 많은 요소를 배치할 수 있고 프로세서를 더 강력하게 조립할 수 있습니다. 결과적으로 더 복잡한 논리 연산을 수행하게 됩니다. 하나의 원자층보다 더 얇은 것은 무엇일까요? 그래핀은 얇다는 특성을 가지고 있습니다.

또한 전기를 전도합니다. 그리고 - 거의 투명합니다. 동시에 그것은 매우 강합니다. 원자층당 가장 강한 물질 중 하나입니다. 실제로 다른 물질이 통과하는 것을 허용하지 않습니다. 헬륨 가스도 그래핀을 통과할 수 없으므로 완전히 신뢰할 수 있는 코팅입니다. 예를 들어 투명 전극이 이미지를 가리지 않기 때문에 터치 스크린에 사용할 수 있습니다. 전자 제품에 사용해 볼 수 있습니다. 이제 그들은 그래핀을 기반으로 한 트랜지스터를 개발하려고 노력하고 있습니다. 사실 여기에는 어려움이 있습니다. 그래핀은 트랜지스터에서의 사용을 다소 어렵게 만드는 변칙적인 특성을 가지고 있습니다. 그러나 우리가 원자층을 얻는 방법을 배운 후에는 아마도 이미 극복할 수 있는 장애물일 것입니다. 이것은 근본적으로 새로운 소재입니다. 이전에는 그런 일이 없었습니다. 기술 및 전자 분야에 사용할 수 있는 가장 얇은 도체 단층입니다.

새로운 노벨상 수상자들은 다소 복잡한 전기를 가지고 있습니다. 그 중 하나는 네덜란드 시민이고 다른 하나는 영국과 러시아의 두 개의 여권을 가지고 있습니다. 우리가 아는 한 그들은 영국 맨체스터에 있는 연구 센터에서 일했습니다. 과학이 국제화되고 있는 걸까요, 아니면 해외로 여행을 가야만 위대한 발견을 하는 것이 러시아 과학자들의 슬픈 운명일까요?

진지한 과학 연구에 참여하려면 물질적, 기술적 기반뿐만 아니라 마음의 평화도 필요합니다. 과학자는 어떤 질문에도 혼란스러워서는 안됩니다. 안드레이 가임(Andrey Geim)은 10년 전 개구리의 자기부상 실험으로 이그노벨상을 받았습니다. 이그노벨상은 무의미한 작업에 대한 코믹한 상입니다. 과학자는 자신의 활동에서 어느 정도 자유가 필요합니다. 그러면 아이디어가 탄생합니다. 오늘은 개구리를 공중에 띄웠고, 내일은 그래핀을 얻습니다.

사람이 그러한 조건을 가지고 있으면 더 효율적으로 일할 수 있습니다. 결국 현재 노벨 물리학상 수상자 모두 MIPT(모스크바 물리 기술 연구소 - RS)에서 공부했습니다. 그리고 곧 그들은 네덜란드, 영국으로 떠났습니다. 그곳의 작업 분위기는 연구 수행에 필요한 과학 자금을 찾는 데 더 유리했기 때문입니다. 테이프로 탄소막을 떼어냈는데 원자간력현미경으로 측정해야 했다. 그래서 이 현미경이 있어야만 했습니다. 물론 러시아에도 존재하지만 접근하기가 훨씬 더 어렵습니다.

러시아가 노벨상 수상자를 배출할 수 있는 기초 교육이 훌륭하지만 동시에 실험을 위한 진지한 과학적 첨단 기술 기반이 없다고 말하면 이것이 사실일까요?

일반화와 마찬가지로 여기에는 약간의 확장이 있습니다. 많은 곳에서 과학 학교가 파괴되고 있기 때문에 우리의 교육은 더 이상 그렇게 훌륭하고 원활하지 않습니다. 90년대에 일이 크게 중단되면서 그 효과가 나타났습니다. 러시아에는 모든 것이 여전히 잘 진행되고 있는 학교가 몇 군데 있지만 장비와 심각하고 비용이 많이 드는 연구 수행에 문제가 있습니다. 이 장비는 어딘가에서 끝납니다. 예를 들어 Kurchatov Institute와 같이 때때로 매우 심각한 구매가 이루어집니다. 그러나 그것이 얼마나 효과적으로 사용되는지는 큰 문제입니다. 따라서 어떤 곳에서는 강력한 과학 학교가 있고 다른 곳에서는 기술 자금이 있습니다. 명성과 관료주의로 인해 그들 사이에서 교환하는 것은 매우 어렵습니다. 러시아에서도 수준 높은 연구가 가능하지만 수행하기가 훨씬 어렵습니다. 이곳은 작업 환경이 더 어렵습니다.

과학 연구는 다각적입니다. 그런데 노벨 위원회가 획기적인 것으로 정의한 특정 영역이 있습니까? 어느 쪽이 노벨상을 받기 더 쉽나요? 아니면 그런 지시가 없나요?

지난 20년간 노벨 물리학상 수상자 명단을 살펴봤습니다. 뚜렷한 추세는 없습니다. 아마도 소립자물리학과 기초물리적 상호작용 분야에서는 꽤 많은 수상 경력이 있을 것입니다. 이것은 이해할 수 있습니다. 그들은 그곳에서 꽤 흥미로운 작업을 수행합니다. 그러나 여기서 우리는 중요한 점을 고려해야 합니다. 노벨상을 받기 위해서는 획기적인 일을 하는 것만으로는 충분하지 않다고 흔히들 말합니다. 그녀가 인정받을 때까지 우리는 아직 살아야합니다. 따라서 노벨상은 대개 아주 나이가 많은 사람들에게 수여됩니다. 이런 관점에서 보면 올해 노벨 물리학상은 예외다. Novoselov는 이제 36세입니다. 지난 20년 동안 물리학상 중에서는 그런 사례가 없었고, 제 생각에는 전혀 그런 일이 일어난 적이 없습니다! 지난 8년 동안 50세 미만의 과학자는 노벨상을 받은 적이 없으며, 많은 과학자가 수십 년 전에 수행한 연구로 70대, 심지어 80대에 노벨상을 받았습니다.

현재의 노벨상은 규칙을 위반하여 수여되었습니다. 아마도 노벨위원회는 상이 노령화되고 있으며 수상 연령을 낮추어야 한다고 느꼈을 것입니다. 물리학상이 "어린" 나이에 마지막으로 수여된 것은 2001년이었습니다. 수상자들은 40세에서 50세 사이였습니다.

이제 실제 실험 작업에 초점이 맞춰진 것 같습니다. 따라서 노벨상에는 천문학이 포함되지 않지만 지난 10년 동안 천체물리학 분야에서는 매우 중요한 두 개의 상이 있었습니다. 고에너지 물리학과 소립자 물리학, 고체 물리학, 응집 물질 물리학, 즉 고체, 액체 및 원자가 서로 근접한 기타 상태에서 상이 있었습니다. 거의 모든 연구는 어떤 식으로든 양자 물리학과 관련이 있습니다.

- 왜 정확히 양자 이론인가? 이것이 노벨위원회 위원들의 개인적인 선호와 관련이 있습니까? 아니면 이것이 정말로 가까운 과학적 미래일까요?

그 이유는 매우 간단합니다. 사실 중력 이론을 제외한 오늘날의 모든 물리학은 양자적입니다. 과거에 있었던 특정한 측면 방향, 개선 및 획기적인 발전을 제외하고 물리학 분야에서 이루어지고 있는 거의 모든 새로운 것은 양자 물리학을 기반으로 합니다. 오직 중력만이 아직 이 "양자화"에 굴복하지 않았습니다. 그리고 물리학의 기초와 관련된 다른 모든 것은 양자 이론과 물질의 양자 이론입니다.

그는 누구입니까? Novoselov Konstantin Sergeevich!

전기

유명한 과학자는 1974년 8월 23일 스베르들롭스크 지역의 니즈니 타길 시에서 엔지니어 가족과 39번 학교의 영어 교사로 태어났습니다. 이 학교의 설립자이자 이사는 한때 그의 할아버지였던 Viktor Konstantinovich Novoselov였습니다.

6학년 때 Konstantin은 뛰어난 능력을 발휘하여 지역 물리학 올림피아드에서 1위를 차지했으며, 조금 후에 All-Union Olympiad에서 성공을 거듭하며 상위 10위 안에 들었습니다. 1991년에 그는 물리 기술 통신 학교를 졸업하고 같은 해 모스크바 물리 기술 연구소의 학생이 되었습니다. 그는 물리 및 양자 전자 학부에서 "나노기술" 전문 분야를 공부하고 연구소를 우등으로 졸업한 후 러시아 과학 아카데미(마이크로 전자 공학 문제 연구소)의 마이크로 전자 공학 기술 문제 연구소에 고용되었습니다. Chernogolovka의 러시아 과학 아카데미 기술). 그곳에서 그는 Yuri Dubrovsky의 지도하에 대학원 과정을 마쳤습니다.

해외에서

1999년에 이미 명성을 얻은 물리학자 콘스탄틴 세르게예비치 노보셀로프(Konstantin Sergeevich Novoselov)가 네덜란드로 이주했습니다. 그곳의 Nijmegen 대학에서 그는 Andrei Geim과 함께 일합니다. 2001년부터 과학자들은 맨체스터 대학교에서 함께 연구해 왔습니다. 2004년에 그는 철학박사 학위를 받았습니다(지도교수 Jan-Kees Maan).

현재 콘스탄틴 세르게예비치 노보셀로프(Konstantin Sergeevich Novoselov)는 왕립학회 교수이자 맨체스터 대학교 물리 및 수학 과학 교수로 재직하고 있으며 이중 국적(러시아 및 영국)을 보유하고 있습니다. 현재 맨체스터에 거주하고 있습니다.

연구

Konstantin Sergeevich Novoselov는 무엇으로 유명합니까? 분석 기관인 톰슨 로이터(Thomson Reuters)에 따르면 이 러시아-영국 물리학자는 가장 자주 인용되는 과학자 중 한 명입니다. 190개의 과학 기사가 그의 펜에서 나왔습니다. 그러나 그의 가장 중요한 연구는 물론 그래핀이다. 많은 사람들이 이 단어를 들어보았을 것입니다. 이 단어는 단순하고 친숙해 보입니다. 이 기술은 모든 독창적인 것처럼 정말 간결하고 우아합니다. 추가 연구를 통해 인류는 초고속, 초박형 모바일 및 컴퓨터 장치, 전기 자동차, 내구성이 뛰어나지만 매우 가벼운 구조물의 시대로 나아갈 수 있습니다.

수상 내역

콘스탄틴 세르게예비치 노보셀로프(Konstantin Sergeevich Novoselov)가 맨체스터 대학교에서 일하기 시작했을 때 러시아 출신의 선배가 그의 지도교수가 되었는데, 그때까지 그는 오랫동안 이 분야에 종사해 왔으며 도마뱀붙이 발의 접착 메커니즘을 재현하는 데 성공했습니다. 그리고 이를 바탕으로 그는 물리학자들이 나중에 그래핀 작업에 사용할 접착 테이프를 만들었습니다. 그 전에 Geim은 특정 중국 학생의 도움을 받았지만 물리학 자 자신에 따르면 Konstantin Sergeevich Novoselov가 사업에 착수 한 후에야 작업이 진행되기 시작했습니다. 2010년 10월 이들에게 노벨상이 수여됐다. 노보셀로프는 현재(지난 37년 동안) 최연소 노벨 물리학상 수상자로 알려져 있으며, 게다가 현재 그는 1970년 이후 출생 노벨상 수상자들 중 유일한 과학자이다.

같은 2010 년에 Novoselov는 네덜란드 과학에 대한 중요한 공헌으로 네덜란드 사자 훈장 사령관이라는 칭호를 받았으며, 조금 후인 2011 년에 엘리자베스 2 세 여왕의 법령에 따라 이미 그를 기사 학사로 만들었습니다. 영국 과학에 대한 그의 공헌. 기사 작위식은 예상대로 조금 뒤인 2012년 봄 버킹엄 궁전에서 거행되었습니다. 여왕의 딸 앤 공주가 주도했다.

과학 및 사회 활동이 매우 광범위한 Konstantin Sergeevich Novoselov는 그래핀 연구에 대한 또 다른 권위 있는 상을 받아 2008년 유로물리학상 수상자가 되었습니다. 2년마다 수여되며, 수상자 중 노벨상 수상자는 13명에 불과합니다. 상품은 현금 보상과 해당 증서로 구성됩니다. 그는 또한 Kurti 상을 받았지만 그래핀이 아니라 저온 및 자기장 연구에 대한 업적 목록으로 받았습니다.

가족과 삶에 대해

Konstantin Novoselov는 아내 Irina와 행복하게 결혼했습니다. 그녀는 러시아인이기도 하지만 과학자들은 해외 네덜란드에서 만났습니다. 볼로그다(Vologda) 출신인 Irina는 미생물학 분야 연구에 참여하고 있습니다(그녀는 상트페테르부르크에서 자신의 논문을 옹호했습니다). 이 부부에게는 2009년에 태어난 쌍둥이 딸 소피아(Sophia)와 비카(Vika)가 있습니다.

Konstantin Sergeevich는 자신의 말에 따르면 몇 주 동안 실험실에 앉아 자녀의 어린 시절을 놓치는 아버지가 아닙니다. 그에게는 세계에서 가장 작은 트랜지스터를 발명하고 딸에게 27까지 세는 법을 가르치는 것은 동등한 일입니다. “이전에는 누구도 이런 일을 해본 적이 없습니다.”라고 그는 말합니다.

반면에 그의 부모는 아들의 관심사를 결코 제한하려고 하지 않았습니다. 그들은 항상 자신의 아들이 매우 재능이 있다고 확신했으며 물리학자 자신이 말했듯이 아들이 노벨상을 받았을 때 놀라지 않았습니다.

에스콰이어(Esquire) 잡지와의 인터뷰에서 그는 피아노 연주를 배우는 것이 꿈이라고 인정했습니다. 그는 공부하고 있지만 스스로 인정한 바에 따르면 결과는 여전히 평범합니다.

소련에 대하여

Konstantin Sergeevich는 소련에서 태어나 훌륭한 교육을 받았습니다. 그 자신도 그러한 깊은 지식을 얻을 수 있는 곳이 거의 없음을 인정합니다. 그러나 그는 러시아로 돌아갈 계획이 없다. 아마도 일부 언론인들이 애국심이 부족하다는 이유로 그를 무의식적으로 비난하는 것은 바로 이 때문일 것입니다. 이에 대해 과학자는 돈에 관한 것이 아니라 영국에서는 아무도 당신의 일에 간섭하지 않기 때문에 일하는 것이 더 차분하다고 대답합니다.

Novoselov는 삶을 가볍게 여기고 실패에 연연하지 않습니다. 이것이 그의 기본 규칙 중 하나입니다. 사람과의 관계에 어려움이 생기면 이별을 일으키지 않으려고 노력하지만, 불가피할 경우 마지막 말은 상대방에게 맡긴다. 유명한 물리학자는 인생에서 흔히 발생하는 문제를 많이 안고 있습니다. 예를 들어, 그는 단지 자유 시간을 얻기 위해서라면 어떤 돈이라도 기꺼이 쓸 것입니다.

그러나 그는 자신의 삶을 일과 휴식으로 나누지 않는데, 이것이 아마도 과학자의 생산성의 열쇠일 것이다. 집에서는 물리학에 대해 생각하고, 직장에서는 단순히 영혼의 휴식을 취합니다.

그래핀이란?

물론 물리학 분야의 모든 업적에도 불구하고 Novoselov의 주요 작업은 그래핀이었으며 여전히 남아 있습니다. 우리 동포들이 실험실 조건에서 처음으로 얻은 이 구조는 단지 원자 하나 두께의 탄소 원자로 구성된 2차원 "네트워크"입니다. Novoselov 자신은 이 기술이 복잡하지 않으며 누구나 즉석에서 거의 즉석에서 그래핀을 만들 수 있다고 주장합니다. 그는 연필을 사용할 수도 있고 실리콘 웨이퍼와 테이프에 약간의 돈을 쓸 수도 있지만 좋은 흑연을 구입하기만 하면 된다고 말합니다. 이제 그래핀 제작 키트가 준비되었습니다! 따라서 자료는 독점적으로 대기업의 재산이되지 않으며 Novoselov와 Game은 문자 그대로 전 세계에 제공했습니다.

놀라운 속성

물리학자는 또한 이 물질의 전자적 특성에 놀랐습니다. 그에 따르면, 그래핀은 트랜지스터에 사용될 수 있으며, 일부 회사에서는 이미 모바일 기기의 기존 부품을 대체하려고 노력하고 있습니다.

Novoselov에 따르면, 그래핀은 기술에 혁명을 일으킬 것입니다. 공상 과학 영화의 필수 요소는 투명하고 얇고 깨지지 않으며 뛰어난 기능을 갖춘 놀라운 장치입니다. 그래핀이 점차 노후된 실리콘을 대체하게 된다면 영화의 기술이 생활 속에 등장하게 될 것입니다.

Novoselov와 Geim의 연구에서 또 다른 주목할만한 점은 무엇입니까? 실험실에서 조립 라인으로 거의 즉시 이동했다는 사실은 이미 첫해에 매우 유용한 것으로 나타났습니다.

미래기술

그래핀은 현재 어디에 사용되나요? 최근에 발견된 그러한 물질은 아직 널리 배포될 수 없는 것처럼 보이며 어느 정도 사실입니다. 거의 모든 개발은 본질적으로 아직 실험적이며 대량 생산에 출시되지 않았습니다. 그러나 이제 그들은 이 물질을 말 그대로 모든 분야에 활용하려고 시도하고 있는데, 이는 아마도 진정한 '그래핀 열병'이라 할 수 있을 것이다.

그래핀 자체는 가볍고 거의 완전한 투명성(투과광의 2%를 흡수하며 일반 창유리와 동일)에도 불구하고 내구성이 매우 뛰어납니다. 미국 과학자들의 최근 연구에 따르면 그래핀은 플라스틱과 잘 섞이는 것으로 나타났습니다. 그 결과 가구, 휴대폰부터 로켓 과학까지 모든 분야에 사용할 수 있는 초강력 소재가 탄생했습니다.

전기 자동차용 배터리 프로토타입은 이미 그래핀으로 만들어졌습니다. 대용량과 짧은 충전 시간이 특징입니다. 아마도 이것이 전기 자동차의 문제가 해결되는 방법이고, 운송 수단이 저렴하고 환경 친화적이 될 것입니다.

그래핀은 휴대폰용 새로운 터치 패널 개발에 사용됩니다. 기존 센서가 평평한 표면에서만 작동할 수 있다면 그래핀은 어떤 방식으로든 구부러질 수 있기 때문에 이러한 단점이 없습니다. 또한 높은 전기 전도성으로 인해 응답이 최소화됩니다.

항공 분야

그래핀을 사용해 만든 로켓과 항공기 본체는 몇 배 더 가벼워져 연료비를 크게 절감할 수 있습니다. 항공료가 매우 저렴해져서 모든 사람이 지구 반대편으로 여행을 갈 수 있게 될 것입니다. 그러나 이는 여객 운송 외에도 화물 운송에도 영향을 미칠 것입니다. 지구의 외딴 지역에 대한 공급이 훨씬 더 좋아질 것이며, 이는 더 많은 사람들이 그곳에서 살고 일하게 될 것임을 의미합니다.

모스크바, 10월 5일 - RIA Novosti. 2010년 노벨 물리학상은 수상자들의 고향인 러시아와 그들의 현재 고향인 영국의 두 나라의 휴일이 되었습니다. 스웨덴 학자들은 2차원 형태의 탄소인 그래핀을 발견한 공로로 안드레이 가임(Andrei Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)에게 최고의 과학상을 수여했습니다. 이로 인해 러시아 과학자들은 두뇌 유출을 애도하게 되었고 영국 과학자들은 과학 기금 보존을 희망하게 되었습니다.

러시아 과학 아카데미 Alexey Khokhlov의 학자이자 모스크바 주립 대학의 고분자 및 결정 물리학과의 RIA Novosti 책임자는 "Geim과 Novoselov가 해외에서 발견한 것은 안타까운 일입니다."라고 말했습니다.

마틴 리스 왕립학회 회장은 노벨 물리학상 수상에 대해 “정부는 노벨 위원회의 결정으로부터 배워야 한다”고 말했다. 그는 영국에서 일하는 외국인 과학자를 포함해 많은 과학자들이 자금 지원이 삭감되면 다른 나라로 떠날 수도 있다고 회상했다.

영국 정부는 10월 20일 정부 지출을 대폭 삭감할 계획을 발표할 예정이다. 과학과 고등교육은 삭감으로 가장 큰 영향을 받는 분야 중 하나가 될 것으로 예상됩니다.

맨체스터에서 일하고 있는 MIPT 졸업생 Geim과 Novoselov는 "2차원 재료 그래핀 연구에 대한 혁신적인 실험"으로 상을 받았습니다. 그들은 1천만 스웨덴 크로나(약 100만 유로)를 서로 공유하게 됩니다. 시상식은 창립자인 알프레드 노벨의 사망일인 12월 10일 스톡홀름에서 열릴 예정이다.

그래핀은 벌집 구조의 기하학을 연상시키는 화학 결합 구조로 상호 연결된 단일 탄소 원자 층으로 구성된 역사상 최초의 2차원 물질이 되었습니다. 오랫동안 그러한 구조는 불가능하다고 믿어졌습니다.

"그런 2차원 단층 결정은 존재할 수 없다고 믿었습니다. 실제로 두께가 없는 평면이기 때문에 안정성을 잃고 다른 것으로 변해야 합니다."라고 전 수상자이자 문제 연구소 소장은 말했습니다. 러시아 과학 아카데미(IPTM)의 마이크로전자 공학 기술 및 고순도 재료 분야의 전문가가 RIA Novosti() Vyacheslav Tulin에게 말했습니다.

그러나 "불가능한" 물질은 다양한 분야에서 없어서는 안될 독특한 물리적, 화학적 특성을 가지고 있습니다. 그래핀은 구리와 마찬가지로 전기를 전도하며 터치 스크린, 태양전지, 유연한 전자 장치를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

"이것은 마이크로 전자 공학의 미래 혁명입니다. 컴퓨터가 현재 기가헤르츠라면 테라헤르츠 등도 있을 것입니다. 트랜지스터와 전자 회로의 다른 모든 요소는 그래핀을 기반으로 만들어질 것입니다."라고 MIPT 교수인 Alexey Fomichev는 말했습니다. 양자 전자학과는 RIA Novosti에게 말했습니다.

그래핀은 이미 태양광 전지라는 한 가지 응용 분야를 찾았습니다. 클러스터 구조 물리학 연구실의 알렉산더 불 소장은 “기존에는 태양전지 제조 시 주석이 도핑된 산화인듐을 투명 전극으로 사용했는데, 여러 층의 그래핀이 훨씬 더 효과적인 것으로 나타났다”고 말했다. 러시아 과학 아카데미의 상트페테르부르크 Ioffe 물리 기술 연구소에서.

물리학과 기술의 첫 번째

Andrei Geim과 Konstantin Novoselov는 모스크바 물리 기술 연구소의 첫 번째 졸업생으로 노벨상을 수상했습니다. 그 전에는 MIPT의 창립자 및 직원인 Pyotr Kapitsa, Nikolai Semenov, Lev Landau, Igor Tamm, Alexander Prokhorov, Nikolai Basov가 있었습니다. , Vitaly Ginzburg 및 Alexey Abrikosov. Geim은 1982년에 일반 및 응용물리학부(GPPF)를 졸업했고, Novoselov는 1997년에 물리 및 양자전자공학부(FFQE)를 졸업했습니다. 두 졸업생 모두 우등 졸업장을 받았습니다.

"이것은 대단한 소식입니다. 우리는 노벨위원회의 결정에 매우 기쁩니다. MIPT는 이미 새로운 노벨상 수상자에게 축하 메시지를 보냈습니다"라고 MIPT 총장 Nikolai Kudryavtsev는 화요일 RIA Novosti에 말했습니다.

교장의 말에 따르면 교직원들은 "기록 보관소에서 개인 파일을 꺼내 이 사람들이 뛰어난 학생들이라는 것을 확신하게 되었습니다." 동시에 Andrei Geim은 공장에서 1 년 동안 일한 후 처음으로 연구소에 들어 가지 않았지만 "끈기를 보여"MIPT의 학생이되었습니다.

MIPT 위원장은 “FOPF 재학 기간 동안 가임은 교사들로부터 가장 높은 평가를 받았으며, 가임의 졸업작품은 졸업위원회에서 유난히 높은 평가를 받았다”고 말했다.

Kudryavtsev가 지적했듯이 물리 및 양자 전자 학부의 152번째 그룹 학생인 Konstantin Novoselov는 "수업에 불규칙적으로 참석했지만 모든 과제를 제 시간에 성공적으로 통과했습니다."라고 말했습니다.

"그리고 Novoselov에 대한 교사의 평가도 가장 높습니다. 이것은 그가 매우 재능이 있어서 일반적으로 모든 수업에 참석할 필요가 없다는 것을 의미합니다. "라고 MIPT 총장은 보관 문서에 대해 논평했습니다.

슈노벨에서 노벨까지

게임의 동료, 콘스탄틴 노보셀로프, 러시아 시민권을 가진 최연소 노벨상 수상자가 되었습니다. 36세의 물리학자는 소련 동료 니콜라이 바소프(42세)보다 6살 어리며, 바소프는 42세에 양자 전자 분야에서의 연구로 1964년 상을 받았습니다. 레이저 메이저 원리를 기반으로 한 방출기와 증폭기의 생성 .

역사상 최연소 노벨상 수상자는 로렌스 브래그(Lawrence Bragg)로, 25세에 아버지 윌리엄 헨리 브래그(William Henry Bragg)와 물리학상을 공동 수상했습니다. 역사상 최연소 수상자 목록의 다음 4개 직위도 물리학자들이 차지했습니다. Werner Heisenberg, Zongdao Li, Carl Anderson 및 Paul Dirac은 31세에 상을 받았습니다.

그러나 콘스탄틴 노보셀로프는 1970년대 출생 세대의 첫 번째 대표자로 수상 역사에 남을 것이다. 상 웹사이트에 따르면 지난 10년 동안의 수상자 목록에는 물리학자 에릭 코넬, 생물학자 캐럴 그라이더, 크레이그 멜로, 그리고 노벨 평화상을 받은 미국 대통령 버락 오바마가 포함되어 있습니다. 수상자 명단에는 노보셀로프를 제외하고 1961년보다 어린 사람은 없습니다.

편집자로부터: 러시아 경제의 현대화와 우리나라의 첨단 기술 개발이라는 주제를 다루면서 우리는 독자들의 단점에 대한 관심을 끌뿐만 아니라 긍정적인 사례에 대해서도 이야기하는 임무를 설정했습니다. 게다가 그런 것들도 꽤 있습니다. 지난주에 우리는 러시아의 연료전지 개발에 대해 이야기했고, 오늘은 "우리 옛 사람들"이 최근 노벨상을 받은 특성을 연구한 그래핀에 대해 이야기하겠습니다. 러시아, 더 정확하게는 노보시비르스크에서 그들은 이 자료에 대해 매우 진지하게 작업하고 있는 것으로 나타났습니다.

마이크로 전자 공학의 기초인 실리콘은 첨단 기술 분야에서 확고한 위치를 차지했으며 이는 우연한 일이 아닙니다. 첫째, 실리콘에 원하는 특성을 부여하는 것이 상대적으로 쉽습니다. 둘째, 오랫동안 과학계에 알려져 왔으며 광범위하게 연구되어 왔습니다. 세 번째 이유는 실리콘 기술에 실로 막대한 돈이 투자됐고, 지금은 신소재에 감히 투자하는 사람이 거의 없기 때문이다. 결국 이를 위해서는 거대한 산업 부문을 재건해야 합니다. 아니면 거의 처음부터 새로 만드세요.

그러나 반도체 소재로서의 리더십을 놓고 다른 경쟁자들이 있습니다. 예를 들어, 그래핀은 그 특성을 연구하여 노벨상을 받은 후 매우 유행하게 되었습니다. 그래핀에는 여러 가지 중요한 장점이 있기 때문에 실리콘에서 그래핀으로 전환해야 할 이유가 있습니다. 그러나 우리가 궁극적으로 "그래핀 기반 전자공학"을 얻게 될지는 아직 확실하지 않습니다. 장점과 함께 단점도 있기 때문입니다.

마이크로 전자공학에서 그래핀의 전망과 그 고유한 특성에 대해 이야기하기 위해 우리는 노보시비르스크에서 이름을 딴 무기 화학 연구소의 수석 연구원을 만났습니다. A.V. Nikolaev SB RAS, 화학 과학 박사, Vladimir Fedorov 교수.

알라 아르시노바: Vladimir Efimovich, 마이크로 전자공학에서 실리콘의 현재 위치는 무엇입니까?

블라디미르 페도로프: 실리콘은 오랫동안 산업계의 주요 반도체 소재로 사용되어 왔습니다. 사실은 쉽게 도핑된다는 것입니다. 즉, 다양한 원소의 원자를 추가할 수 있으며, 이는 특히 물리적, 화학적 특성을 변경합니다. 고순도 실리콘을 변형하면 n형 또는 p형 반도체 소재를 얻을 수 있습니다. 따라서 실리콘의 방향성 도핑은 마이크로 전자공학에 중요한 재료의 기능적 특성을 조절합니다.

실리콘은 정말 독특한 소재이기 때문에 많은 노력과 돈, 지적 자원이 투자되었습니다. 실리콘의 기본 특성은 매우 자세하게 연구되어 실리콘을 대체할 수 없다는 믿음이 널리 퍼져 있습니다. 그러나 최근 그래핀에 대한 연구는 실리콘을 대체할 수 있는 수준까지 신소재가 개발될 수 있다는 또 다른 견해에 대한 승인을 주었습니다.

실리콘의 결정 구조

이러한 논의는 과학 분야에서 주기적으로 발생하며 원칙적으로 진지한 연구 후에만 해결됩니다. 예를 들어, 최근 고온 초전도체에서도 비슷한 상황이 있었습니다. 1986년에 Bednorz와 Müller는 바륨-란탄-구리 산화물에서 초전도성을 발견했습니다(이 발견으로 그들은 발견 1년 후인 1987년에 노벨상을 수상했습니다!). 이는 값보다 훨씬 높은 온도에서 감지되었습니다. 이전에 알려진 초전도 물질 시대의 특징입니다. 더욱이, 구리산염 초전도 화합물의 구조는 저온 초전도체와 크게 달랐습니다. 그런 다음 관련 시스템에 대한 수많은 연구가 90K 이상의 초전도 전이 온도를 갖는 물질의 생산으로 이어졌습니다. 이는 비싸고 변덕스러운 액체 헬륨 대신 액체 질소를 냉각제로 사용할 수 있음을 의미합니다. 실제로는 기체 형태로 존재하는 액체 질소가 많고 헬륨보다 훨씬 저렴합니다.

그러나 불행하게도 이러한 행복감은 새로운 고온 초전도체에 대한 세심한 연구 이후 곧 사라졌습니다. 이러한 다결정 물질은 다른 복합 산화물과 마찬가지로 세라믹과 같습니다. 부서지기 쉽고 연성이 없습니다. 각 결정 내부의 초전도성은 좋은 매개변수를 가지고 있는 것으로 밝혀졌지만, 소형 샘플에서는 임계 전류가 매우 낮습니다. 이는 재료 입자 간의 약한 접촉으로 인해 발생합니다. 초전도 입자 사이의 약한 조셉슨 접합은 높은 초전도 특성을 갖는 물질(예: 와이어)의 생성을 허용하지 않습니다.

다결정 실리콘 기반 태양전지

그래핀에서도 동일한 상황이 발생할 수 있습니다. 현재 매우 흥미로운 특성이 발견되었지만, 이 물질을 산업적 규모로 생산하고 나노전자공학에 사용할 수 있는 가능성에 대한 질문에 확실하게 답하기 위해서는 광범위한 연구가 남아 있습니다.

알라 아르시노바: 그래핀이 무엇이고 흑연과 어떻게 다른지 설명해 주세요.

블라디미르 페도로프: 그래핀은 탄소 원자로 구성된 단원자 층으로, 흑연과 마찬가지로 벌집 모양의 격자를 가지고 있습니다. 그리고 흑연은 따라서 그래핀 층이 겹겹이 쌓인 것입니다. 흑연의 그래핀 층은 매우 약한 반 데르 발스 결합으로 서로 연결되어 있기 때문에 궁극적으로 서로 찢어질 수 있습니다. 연필로 글을 쓸 때, 이것은 흑연 층을 제거하는 예입니다. 사실, 종이에 남아 있는 연필의 흔적은 아직 그래핀이 아니라 그래핀 다층구조이다.

이제 모든 어린이는 단순히 종이를 옮기는 것이 아니라 복잡한 그래핀 다층 구조를 만들고 있다고 진지하게 주장할 수 있습니다.

그러나 그러한 구조를 하나의 층으로 분할하는 것이 가능하다면 진정한 그래핀을 얻을 수 있습니다. 올해 노벨 물리학상 수상자 가임(Geim)과 노보셀로프(Novoselov)도 비슷한 분할을 수행했습니다. 그들은 테이프를 사용하여 흑연을 분할할 수 있었고 이 "흑연 층"의 특성을 연구한 후 마이크로 전자공학에 사용하기에 매우 좋은 매개변수를 가지고 있음이 밝혀졌습니다. 그래핀의 놀라운 특성 중 하나는 높은 전자 이동도입니다. 그래핀은 컴퓨터, 휴대폰, 기타 장비에 없어서는 안 될 소재가 될 것이라고 합니다. 왜? 이 영역에서는 정보 처리 절차의 속도를 높이는 경향이 있기 때문입니다. 이러한 절차는 클럭 속도와 관련이 있습니다. 작동 빈도가 높을수록 단위 시간당 더 많은 작업을 처리할 수 있습니다. 따라서 전하 캐리어의 속도는 매우 중요합니다. 그래핀의 전하 운반체는 유효 질량이 0인 상대론적 입자처럼 거동하는 것으로 나타났습니다. 그래핀의 이러한 특성은 실리콘으로는 접근할 수 없는 테라헤르츠 주파수에서 작동할 수 있는 장치를 만드는 것이 가능할 것이라는 희망을 줍니다. 이것은 재료의 가장 흥미로운 특성 중 하나입니다.

2010년 노벨 물리학상 수상자 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)

유연하고 투명한 필름은 그래핀에서 얻을 수 있으며 이는 다양한 응용 분야에서도 매우 흥미롭습니다. 또 다른 장점은 실리콘보다 가볍고 매우 간단하고 가벼운 소재라는 것입니다. 게다가 자연에는 탄소가 풍부합니다. 따라서 그들이 실제로 이 재료를 첨단 기술에 사용하는 방법을 찾으면 물론 좋은 전망을 갖게 될 것이며 아마도 결국 실리콘을 대체하게 될 것입니다.

그러나 저차원 도체의 열역학적 안정성과 관련된 한 가지 근본적인 문제가 있습니다. 알려진 바와 같이, 고체는 다양한 공간 시스템으로 나뉩니다. 예를 들어, 3D(3차원) 시스템에는 체적 결정이 포함됩니다. 2차원(2D) 시스템은 층상 결정으로 표현됩니다. 그리고 사슬 구조는 1차원(1D) 시스템에 속합니다. 따라서 금속성을 지닌 저차원 1차원 사슬구조와 2차원 적층구조는 열역학적 관점에서 안정하지 못하며, 온도가 낮아지면 금속성을 상실하는 계로 변하는 경향이 있다. 이것이 소위 금속-유전체 전이입니다. 일부 장치에서 그래핀 재료가 얼마나 안정적인지는 아직 알 수 없습니다. 물론, 그래핀은 전기물리적 특성과 기계적 특성의 관점에서 모두 흥미롭습니다. 그래핀의 모놀리식 층은 매우 강한 것으로 여겨집니다.

알라 아르시노바: 다이아몬드보다 강하다?

블라디미르 페도로프: 다이아몬드는 3차원 결합을 갖고 있어 기계적으로 매우 강합니다. 흑연에서는 평면의 원자간 결합이 동일하며 아마도 훨씬 더 강할 수도 있습니다. 사실 열역학적 관점에서 볼 때 다이아몬드는 흑연으로 변해야 합니다. 왜냐하면 흑연이 다이아몬드보다 더 안정적이기 때문입니다. 그러나 화학에는 변환 과정을 제어하는 ​​두 가지 중요한 요소가 있습니다. 즉, 상의 열역학적 안정성과 공정의 동역학, 즉 한 상이 다른 상으로 변환되는 속도입니다. 따라서 다이아몬드는 수세기 동안 전 세계 박물관에 보관되어 왔으며 흑연으로 변하는 것을 원하지 않습니다. 아마도 수백만 년이 지나도 그들은 여전히 ​​흑연으로 변할 것입니다. 비록 유감스럽지만 말입니다. 실온에서 다이아몬드가 흑연으로 변하는 과정은 매우 느린 속도로 발생하지만 다이아몬드를 고온으로 가열하면 운동 장벽을 더 쉽게 극복할 수 있으며 이는 확실히 일어날 것입니다.

원래 형태의 흑연

알라 아르시노바: 흑연이 매우 얇은 조각으로 분할될 수 있다는 것은 오랫동안 알려져 왔습니다. 그렇다면 2010년 노벨 물리학상 수상자들의 업적은 무엇이었는가?

블라디미르 페도로프: 당신은 아마도 Petrik과 같은 캐릭터를 알고있을 것입니다. Andrei Geim과 Konstantin Novoselov에게 노벨상을 수여 한 후 그는 노벨상이 자신에게서 도난 당했다고 말했습니다. 이에 대해 Geim은 그러한 물질은 실제로 매우 오랫동안 알려져 있었지만 그래핀의 특성을 연구한 공로로 상을 받은 것이지 그래핀의 생산 방법을 발견한 공로로 상을 받은 것이 아니라고 말했습니다. 실제로 그들의 장점은 고도로 배향된 흑연에서 아주 좋은 품질의 그래핀 층을 분리하고 그 특성을 자세히 연구할 수 있었다는 것입니다. 그래핀의 품질은 실리콘 기술과 마찬가지로 매우 중요합니다. 매우 높은 순도의 실리콘을 얻는 방법을 배운 후에야 이를 기반으로 한 전자 제품이 가능해졌습니다. 상황은 그래핀과 동일하다. Geim과 Novoselov는 완벽한 층을 가진 매우 순수한 흑연을 가져와 하나의 층으로 분리하고 그 특성을 연구했습니다. 그들은 이 물질이 일련의 독특한 특성을 가지고 있음을 최초로 증명했습니다.

알라 아르시노바: 해외에서 일하는 러시아 출신 과학자들에게 노벨상을 수여하는 것과 관련하여 과학과는 거리가 먼 우리 동포들은 여기 러시아에서도 동일한 결과를 얻을 수 있는지 궁금해하고 있습니다.

블라디미르 페도로프: 아마도 가능했을 것입니다. 그들은 적절한 시간에 방금 떠났습니다. Nature에 게재된 그들의 첫 번째 기사는 Chernogolovka의 여러 과학자들과 공동으로 작성되었습니다. 분명히 우리 러시아 연구원들도 이 방향으로 작업했습니다. 하지만 설득력 있게 완성하는 것은 불가능했습니다. 불쌍해. 아마도 그 이유 중 하나는 외국 과학 실험실에서 일하기에 더 유리한 조건 때문일 것입니다. 나는 최근에 한국에서 왔고 그곳에서 받은 근무 조건을 집에서 일하는 것과 비교할 수 있습니다. 그래서 그곳에서는 아무 일에도 몰두하지 않았지만 집에서는 많은 시간을 소비하고 중요한 일에서 끊임없이 나를 산만하게 하는 일상적인 업무로 가득 차 있었습니다. 나는 필요한 모든 것을 제공받았고, 이 일은 놀라운 속도로 이루어졌습니다. 예를 들어, 어떤 종류의 시약이 필요하면 메모를 작성하면 다음날 나에게 가져옵니다. 노벨상 수상자들도 근무 조건이 아주 좋은 것 같아요. 글쎄요, 그들은 끈기가 충분했습니다. 그들은 좋은 자료를 얻기 위해 여러 번 노력했고 마침내 성공했습니다. 그들은 이를 위해 정말 많은 시간과 노력을 쏟았으며 이런 의미에서 이 상은 당연하게 여겨졌습니다.

알라 아르시노바: 실리콘과 비교하여 그래핀의 장점은 정확히 무엇입니까?

블라디미르 페도로프: 첫째, 우리는 이미 캐리어의 이동성이 높다고 말했습니다. 물리학자들이 말했듯이 전하 캐리어에는 질량이 없습니다. 질량은 항상 움직임을 느리게 합니다. 그리고 그래핀에서 전자는 질량이 없는 것으로 간주될 수 있는 방식으로 움직입니다. 이 속성은 독특합니다. 비슷한 속성을 가진 다른 재료와 입자가 있는 경우 극히 드뭅니다. 이것이 바로 그래핀이 좋은 것으로 밝혀진 이유이며, 실리콘과 비교했을 때 유리한 이유이기도 합니다.

둘째, 그래핀은 열전도율이 높아 전자소자에 있어서 매우 중요한 특성을 갖는다. 매우 가볍고 그래핀 시트는 투명하고 유연하며 말아올릴 수 있습니다. 그래핀을 생산하기 위한 최적의 방법이 개발된다면 그래핀은 매우 저렴해질 수 있습니다. 결국 Game과 Novoselov가 보여준 "스카치 테이프 방식"은 산업적이지 않습니다. 이 방법은 매우 높은 품질의 샘플을 생산하지만 연구용으로만 매우 적은 양으로 생산됩니다.

그리고 이제 화학자들은 그래핀을 생산하는 다른 방법을 개발하고 있습니다. 결국, 그래핀 생산을 원활하게 하려면 대형 시트를 확보해야 합니다. 우리는 무기화학연구소에서도 이러한 문제를 다루고 있습니다. 산업 규모로 고품질 물질을 생산할 수 있는 방법을 사용하여 그래핀을 합성하는 방법을 배우면 마이크로 전자 공학에 혁명을 일으킬 수 있다는 희망이 있습니다.

알라 아르시노바: 이미 언론을 통해 다들 알고 계시겠지만, 그래핀 다층 구조는 연필과 접착 테이프를 사용하여 얻을 수 있습니다. 과학실험실에서 사용되는 그래핀 생산 기술은 무엇인가요?

블라디미르 페도로프: 여러 가지 방법이 있습니다. 그 중 하나는 오랫동안 알려져 왔으며 산화흑연을 사용하는 것입니다. 그 원리는 아주 간단합니다. 흑연은 산화성이 높은 물질(예: 황산, 질산 등)의 용액에 넣고 가열하면 산화제와 상호 작용하기 시작합니다. 이 경우 흑연은 여러 개의 시트 또는 단원자 층으로 분할됩니다. 그러나 생성된 단층은 그래핀이 아니라 산소, 수산기 및 카르복실기가 결합된 산화된 그래핀입니다. 이제 주요 임무는 이러한 층을 그래핀으로 복원하는 것입니다. 산화하면 작은 입자가 생성되므로 단일체를 얻으려면 어떤 방식으로든 서로 접착되어야 합니다. 화학자들의 노력은 생산 기술이 알려진 산화 흑연으로 그래핀 시트를 만드는 것이 어떻게 가능한지 이해하는 것을 목표로 합니다.

매우 전통적이고 오랫동안 알려진 또 다른 방법이 있습니다. 이것은 기체 화합물이 참여하는 화학 기상 증착입니다. 그 본질은 다음과 같습니다. 먼저, 반응 물질이 기체상으로 승화된 후 고온으로 가열된 기판을 통과하여 원하는 층이 증착됩니다. 메탄과 같은 출발 시약이 선택되면, 수소가 분리되고 탄소가 기질에 남게 되는 방식으로 분해될 수 있습니다. 그러나 이러한 프로세스는 제어하기 어렵고 이상적인 레이어를 얻기가 어렵습니다.

그래핀은 탄소의 동소체 변형 중 하나입니다.

현재 적극적으로 사용되기 시작한 또 다른 방법, 즉 삽입된 화합물을 사용하는 방법이 있습니다. 다른 층상 화합물과 마찬가지로 흑연에서도 "게스트 분자"라고 불리는 다양한 물질의 분자가 층 사이에 위치할 수 있습니다. 흑연은 우리가 "게스트"를 제공하는 "호스트"의 매트릭스입니다. 게스트가 호스트의 격자에 끼어들면 레이어가 자연스럽게 분리됩니다. 이것이 바로 필요한 것입니다. 삽입 과정은 흑연을 분해합니다. 삽입된 화합물은 그래핀 생산을 위한 매우 좋은 전구체입니다. 거기에서 "게스트"를 제거하고 층이 다시 흑연으로 붕괴되는 것을 방지하기만 하면 됩니다. 이 기술의 중요한 단계는 그래핀 재료로 변환될 수 있는 콜로이드 분산액을 얻는 과정입니다. 우리 연구소에서는 바로 이러한 접근 방식을 지원합니다. 우리의 의견으로는 이것이 가장 진보된 방향이며, 매우 좋은 결과가 기대됩니다. 왜냐하면 다양한 유형의 삽입된 화합물로부터 분리된 층을 가장 간단하고 효율적으로 얻을 수 있기 때문입니다.

그래핀의 구조는 벌집과 유사합니다. 그리고 최근에는 아주 '달콤한' 주제가 되었어요

총 화학 합성이라는 또 다른 방법이 있습니다. 필요한 "벌집"이 단순한 유기 분자로 조립된다는 사실에 있습니다. 유기화학은 엄청나게 다양한 분자를 얻을 수 있는 매우 발전된 합성 장치를 가지고 있습니다. 따라서 그들은 화학적 합성을 통해 그래핀 구조를 얻으려고 노력하고 있다. 지금까지 약 200개의 탄소 원자로 구성된 그래핀 시트를 만드는 것이 가능했습니다.

그래핀 합성에 대한 다른 접근법이 개발되고 있습니다. 수많은 문제에도 불구하고 이 방향의 과학은 성공적으로 발전하고 있습니다. 기존 장애물을 극복하고 그래핀이 첨단 기술 개발에 새로운 이정표를 가져올 것이라는 높은 확신이 있습니다.

화학 과학 후보자 Tatyana Zimina.

2010년 노벨 물리학상은 독특하면서도 동시에 매우 유용한 특성을 나타내는 2차원 물질인 그래핀에 대한 연구로 수상되었습니다. 그것의 발견은 새로운 기술뿐만 아니라 물질의 구조에 대한 새로운 지식을 가져올 수 있는 기초 물리학의 발전을 약속합니다. 올해 노벨 물리학상 수상자는 영국 맨체스터대학교 교수이자 모스크바 물리기술연구소 졸업생인 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)입니다.

그래핀의 탄소 원자는 육각형 모양의 셀을 가진 2차원 결정을 형성합니다.

2010년 노벨 물리학상 수상자 Andre Geim(1958년 출생)은 영국 맨체스터 대학의 교수입니다. 모스크바 물리 기술 연구소를 졸업하고 고체 물리학 연구소(Chernogolo)에서 박사 학위 논문을 옹호했습니다.

2010년 노벨 물리학상 수상자 Konstantin Novoselov(1974년 출생)는 맨체스터 대학교(영국)의 교수이자 모스크바 물리 기술 연구소를 졸업했습니다. 마이크로일렉트로닉스 기술 문제 연구소에서 근무했으며 특히

그래핀은 탄소의 동소체 형태 중 하나입니다. 처음에는 얇은 흑연 층을 점차적으로 벗겨서 얻었습니다. 그래핀은 말아서 나노튜브나 풀러렌을 형성합니다.

그래핀의 가능한 응용 분야 중 하나는 DNA의 화학 구조(서열 분석)를 해독하는 새로운 기술을 기반으로 하는 것입니다. Decke 교수가 이끄는 네덜란드 Kavli 나노 과학 연구소의 과학자들

원자 1개 두께의 물질인 그래핀은 육각형 모양의 셀에 벌집처럼 배열된 탄소 원자의 "메쉬"로 구성됩니다. 이것은 흑연, 다이아몬드, 나노튜브 및 풀러렌과 함께 또 다른 동소체 형태의 탄소입니다. 이 소재는 우수한 전기 전도성, 우수한 열 전도성, 고강도를 가지며 거의 완전히 투명합니다.

탄소 원자가 느슨하게 결합된 층으로 구성된 층상 구조인 흑연의 결정 격자에 그래핀을 '레이'로 생성한다는 아이디어입니다. 즉, 흑연은 실제로 그래핀(2차원 결정)의 층이 서로 연결된 집합으로 표현될 수 있다.

흑연은 층상 재료입니다. 2차원 탄소 물질이 실온에서 존재할 수 없다는 이론이 예측(및 이전 실험에서 확인)했음에도 불구하고 노벨상 수상자들이 그래핀을 생산하는 데 사용한 것은 바로 이 특성이었습니다. 예를 들어 다른 동소체 형태의 탄소로 변형될 것입니다. , 나노튜브 또는 구형 풀러렌으로 접습니다.

영국 맨체스터 대학과 러시아 체르노골로프카 마이크로전자공학 기술 및 고순도 재료 연구소의 연구원들로 구성된 안드레 가임(Andre Geim)이 이끄는 국제 과학자 팀은 단순히 흑연 층을 벗겨내 그래핀을 얻었습니다. 이를 위해 일반 테이프를 흑연 결정에 붙인 다음 제거했습니다. 단층 필름을 포함하여 가장 얇은 필름이 테이프에 남아 있습니다. (어떻게 기억하지 못할 수 있습니까? "모든 독창적인 것은 간단합니다"!) 나중에 이 기술을 사용하여 고온 초전도체 Bi-Sr-Ca-Cu-O를 포함한 다른 2차원 물질을 얻었습니다.

이제 이 방법을 "마이크로기계적 박리"라고 하며, 이를 통해 최대 100미크론 크기의 최고 품질 그래핀 샘플을 얻을 수 있습니다.

미래의 노벨상 수상자들의 또 다른 훌륭한 아이디어는 산화규소(SiO2) 기판에 그래핀을 증착하는 것이었습니다. 이 과정 덕분에 그래핀을 현미경으로 관찰(광학부터 원자력까지)하고 연구하는 것이 가능해졌습니다.

새로운 물질에 대한 첫 번째 실험은 과학자들의 손에 탄소의 또 다른 형태가 아니라 고체 물리학의 고전 이론의 관점에서 항상 설명할 수 없는 특성을 가진 새로운 종류의 물질이 있다는 것을 보여주었습니다.

결과적으로 생성된 2차원 물질인 반도체는 최고의 금속 전도체 중 하나인 구리와 같은 전도성을 갖습니다. 그 전자는 결정 구조의 특성으로 인해 매우 높은 이동성을 가지고 있습니다. 분명히 그래핀의 이러한 품질은 나노미터 두께와 결합되어 미래의 고속 컴퓨터를 포함한 전자 제품에서 실리콘을 대체할 수 있는 후보 물질이 됩니다. 연구자들은 기본 트랜지스터 두께가 10nm 이하인 새로운 종류의 그래핀 나노전자공학(전계 효과 트랜지스터가 그래핀에서 이미 얻어짐)이 곧 실현될 것이라고 믿습니다.

물리학자들은 현재 그래핀에서 전자의 이동성을 더욱 증가시키기 위해 노력하고 있습니다. 계산 결과에 따르면 전하 캐리어의 이동성(따라서 전도도)의 제한은 SiO2 기판에 하전된 불순물의 존재와 관련이 있는 것으로 나타났습니다. "자유롭게 매달린" 그래핀 필름을 얻는 방법을 배우면 전자 이동도는 최대 2 × 10 6 cm 2 /V까지 두 배로 증가할 수 있습니다. 와 함께. 이러한 실험은 이미 진행 중이며 매우 성공적입니다. 사실, 자유 상태의 이상적인 2차원 필름은 불안정하지만 공간에서 변형되면(즉, 이상적으로는 평평하지 않지만 예를 들어 물결 모양) 안정성이 보장됩니다. 이러한 필름으로부터 예를 들어 표면에 있는 단일 분자에도 반응할 수 있는 매우 민감한 가스 센서인 나노전기기계 시스템을 만드는 것이 가능합니다.

그래핀의 다른 가능한 응용 분야: 주어진 전도성을 지닌 초경량 및 고강도(항공, 우주선 등용)를 포함한 다양한 복합 재료를 만들기 위한 슈퍼커패시터의 전극, 태양 전지. 후자는 엄청나게 다를 수 있습니다. 예를 들어 그래핀과 달리 절연체인 그래판이라는 물질이 합성됐다. 출발물질의 각 탄소원자에 수소원자를 첨가하여 얻은 것이다. 그래핀을 단순히 가열(어닐링)함으로써 출발 물질인 그래핀의 모든 특성을 복원할 수 있다는 것이 중요합니다. 동시에 플라스틱(절연체)에 그래핀을 첨가하면 플라스틱이 전도체로 변합니다.

그래핀의 거의 완전한 투명성은 터치 스크린에서의 사용을 시사하며, 그래핀의 "초박형"을 기억한다면 미래의 유연한 컴퓨터(신문처럼 말 수 있음), 시계 팔찌 및 소프트 제품에 사용될 가능성이 있습니다. 라이트 패널은 깨끗합니다.

그러나 재료를 적용하려면 산업 생산이 필요하므로 실험실 연구에서 사용되는 미세 기계적 박리 방법은 적합하지 않습니다. 따라서 현재 전 세계에서는 그것을 얻을 수 있는 수많은 다른 방법이 개발되고 있습니다. 흑연 미세 결정으로부터 그래핀을 생산하는 화학적 방법은 이미 제안되었습니다. 예를 들어, 그 중 하나는 폴리머 매트릭스에 내장된 그래핀을 생산합니다. 실리콘 카바이드 기판에 대한 고압 및 온도에서의 증기 증착 및 성장도 설명되어 있습니다. 산업 생산에 가장 적합한 후자의 경우, 기판 표면층의 열분해 과정에서 그래핀의 특성을 갖는 필름이 형성됩니다.

물리학 연구 발전을 위한 신소재의 가치는 환상적입니다. Sergei Morozov(러시아 과학 아카데미의 마이크로 전자 기술 및 고순도 재료 문제 연구소), Andre Geim과 Konstantin Novoselov는 2008년 Uspekhi Fizicheskikh Nauk 저널에 게재된 기사에서 다음과 같이 지적했습니다. “사실 그래핀은 다음과 같은 가능성을 열어줍니다. 새로운 과학 패러다임 - 양자 상대론적 현상(일부는 고에너지 물리학에서도 실현할 수 없음)을 이제 일반 실험실 조건에서 연구할 수 있는 "상대론적" 물리학 고체 상태... 고체 상태에서는 처음으로 실험을 통해 양자 전기역학의 모든 뉘앙스와 다양성을 탐구하는 것이 가능합니다.” 즉, 우리는 거대한 입자 가속기의 건설이 필요한 연구에 필요한 많은 현상을 이제 세계에서 가장 얇은 물질인 훨씬 간단한 도구로 무장하여 연구할 수 있다는 사실에 대해 이야기하고 있습니다.

전문가 해설

우리는 전계 효과 트랜지스터에 대해 생각하고 있었습니다...

편집자들은 동료와 공동 저자에게 노벨상 수상자 Andre Geim과 Konstantin Novoselov의 연구 결과에 대해 논평하도록 요청했습니다. 러시아 과학 아카데미(Chernogolovka)의 마이크로 전자공학 및 고순도 재료 기술 문제 연구소(Chernogolovka) 연구소장 Sergei Morozov가 "과학과 생명" 특파원 Tatyana Zimina의 질문에 답변하고 있습니다.

2차원 탄소재료를 얻으려는 아이디어는 어떻게 탄생하게 되었나요? 무엇과 관련하여? 이런 형태의 탄소에서 특이한 특성을 기대하셨나요?

처음에 우리의 목표는 반금속으로 2차원 물질을 만드는 것이 아니라 전계 효과 트랜지스터를 만들려고 했습니다. 원자 하나의 두께라도 금속은 이에 적합하지 않습니다. 자유 전자가 너무 많습니다. 먼저, 우리는 흑연 결정으로부터 셀 수 없을 만큼 많은 수의 원자 평면을 얻은 다음, 단원자 층, 즉 그래핀을 얻을 때까지 점점 더 얇은 판을 만들기 시작했습니다.

그래핀은 20세기 중반부터 오랫동안 이론가들에 의해 고려되어 왔습니다. 그들은 또한 2차원 탄소재료라는 이름도 소개했습니다. 흑연, 나노튜브, 풀러렌과 같은 다른 형태의 탄소의 특성을 계산하기 위해 이론가(실험적 생산 이전)의 출발점이 된 것은 그래핀이었습니다. 이론적으로도 가장 잘 설명되어 있습니다. 물론 현재 실험적으로 발견된 일부 효과는 이론가들에 의해 고려되지 않았습니다. 그래핀의 전자는 상대론적 입자처럼 행동합니다. 그러나 상대론적 입자의 경우 홀 효과가 어떻게 나타날지 연구할 생각을 한 사람은 아무도 없었습니다. 우리는 그래핀의 전자 하위 시스템의 고유성을 최초로 명확하게 확인한 새로운 유형의 양자 홀 효과를 발견했습니다. 고에너지 물리학에서 알려진 그래핀 고유의 클라인 역설에 대해서도 마찬가지입니다. 전통적인 반도체나 금속에서 전자는 전위 장벽을 통과할 수 있지만 확률은 1보다 훨씬 낮습니다. 그래핀에서 전자(상대론적 입자와 같은)는 반사 없이 무한히 높은 전위 장벽을 통과해도 관통됩니다.

2차원 탄소재료(그래핀)가 상온에서 불안정할 것이라고 생각한 이유는 무엇입니까? 그러면 어떻게 그것을 얻을 수 있었습니까?

무한한 이상적인 2차원 시스템을 지칭하는 2차원 물질의 불안정성을 보여준 이론가들의 초기 연구입니다. 이후 연구에서는 2차원 시스템에서 장거리 질서(결정체에 내재된 것 - Ed.)가 유한 온도(결정의 실온은 상당히 낮은 온도)에서 여전히 존재할 수 있음을 보여주었습니다. 정지 상태의 실제 그래핀은 완벽하게 평평하지 않고 약간 물결 모양입니다. 상승 높이는 나노미터 정도입니다. 이러한 "파동"은 전자현미경에서는 볼 수 없지만 이에 대한 다른 확인이 있습니다.

제가 올바르게 이해한다면 그래핀은 반도체입니다. 하지만 여기저기서 반금속이라는 정의를 찾았습니다. 어떤 종류의 재료에 속합니까?

반도체에는 특정 폭의 밴드갭이 있습니다. 그래핀의 경우 이는 0입니다. 그래서 제로 밴드갭 반도체 또는 제로 오버랩 반금속이라고 부를 수 있습니다. 즉, 반도체와 반금속의 중간 위치를 차지합니다.

대중 문헌 여기저기에는 다른 2차원 재료에 대한 언급이 있습니다. 당신의 그룹은 이것들 중 어떤 것을 얻으려고 노력했습니까?

그래핀을 얻은 지 1년 만에 우리는 다른 층상 결정으로부터 2차원 물질을 얻었습니다. 예를 들어 질화붕소, 일부 디칼코게나이드, 고온 초전도체 Bi-Sr-Ca-Cu-O 등이 있습니다. 그들은 그래핀의 특성을 복제하지 않았습니다. 그 중 일부는 일반적으로 절연체였고 다른 일부는 전도성이 매우 낮았습니다. 전 세계적으로 많은 연구 그룹이 2차원 물질을 연구하고 있습니다. 우리는 현재 그래핀 구조의 기판으로 질화붕소를 사용하고 있습니다. 이는 그래핀의 특성을 근본적으로 향상시키는 것으로 밝혀졌습니다. 또한 복합 재료를 만들기 위해 그래핀을 사용하는 경우 질화붕소는 주요 경쟁자 중 하나입니다.

- 기존의 그래핀 생산 방법 중 가장 유망한 방법은 무엇인가?

제 생각에는 현재 두 가지 주요 방법이 있습니다. 첫 번째는 표면에 구리와 니켈뿐만 아니라 일부 희토류 금속의 피막이 성장하는 것입니다. 그런 다음 그래핀을 다른 기판으로 옮겨야 하며, 그들은 이미 이를 수행하는 방법을 배웠습니다. 해당 기술은 상용화 단계에 진입하고 있다.

또 다른 방법은 탄화규소에서의 성장입니다. 그러나 모든 현대 전자 장치가 만들어지는 실리콘 위에 그래핀을 성장시키는 방법을 배우는 것은 좋을 것입니다. 그러면 그래핀 장치의 개발은 비약적으로 진행될 것입니다. 왜냐하면 그래핀 전자 장치는 자연스럽게 전통적인 마이크로 전자 장치의 기능을 확장할 것이기 때문입니다.