Nobela prēmija par agrafēna atklāšanu. Kā Nobela prēmiju saņēma Krievijas “junk fiziķi”.

Stokholmā tika paziņoti 2010. gada Nobela prēmijas fizikā laureātu vārdi. Tie bija profesors Andrejs Geims un profesors Konstantīns Novoselovs. Abi laureāti, kas strādā Lielbritānijas Mančestras universitātē, nāk no Krievijas. 52 gadus vecais Andrejs Geims ir Nīderlandes pilsonis, bet 36 gadus vecajam Konstantīnam Novoselovam ir Krievijas un Lielbritānijas pilsonība.

Pasaulē prestižākā zinātniskā balva, kuras vērtība šogad ir aptuveni 1,5 miljoni ASV dolāru, tika piešķirta zinātniekiem par grafēna – īpaši plāna un īpaši izturīga materiāla – atklāšanu, kas ir viena atoma bieza oglekļa plēve.

Žurnāla Around the World zinātniskais redaktors Aleksandrs Sergejevs Radio Liberty stāsta par grūtībām, kas radās grafēna atklāšanā un kāda ir šī materiāla praktiskā pielietošana:

Pats fakts, ka zinātnieki ir ieguvuši grafēnu, ir ievērojams. Teorētiski grafēns tika prognozēts pusgadsimtu pirms tā sintēzes. Skolā visi pētīja grafīta struktūru - tas ir parasts zīmulis. Oglekļa atoms veido plānus slāņus, kas atkārtoti tiek uzklāti viens virs otra. Katrs slānis sastāv no sešstūra šūnām, kas sader kopā kā šūnveida šūnām.

Problēma bija viena slāņa atdalīšana no tiem, kas atrodas augšā un apakšā. Vienam šī divdimensiju kristāla slānim, ko sauc par to, ka tam nav trešās dimensijas, tika prognozēts dažādas interesantas fizikālās īpašības. Tika veikti daudzi eksperimenti. Bet ar stabilu rezultātu nebija iespējams atdalīt vienu slāni no visiem pārējiem.

Andrejs Geims un Konstantīns Novoselovs izdomāja veidu, kā viņi varēja atlasīt šo slāni un vēlāk pārliecināties, ka tas tiešām ir viens. Pēc tam zinātnieki varēja izmērīt tā fizikālās īpašības un pārbaudīt, vai teorētiskās prognozes bija vairāk vai mazāk pareizas. Šis eksperiments ir ļoti vienkāršs: zinātnieki paņēma parastu zīmuli, grafīta gabalu. Izmantojot līmlenti, viņi noņēma no tā grafīta slāni un pēc tam sāka to lobīt. Kad palika 1-2 slāņi, grafīts tika pārnests uz silīcija substrātu.

Kāpēc visi iepriekšējie eksperimenti cieta neveiksmi? Tā kā (un tas tika prognozēts teorētiski) grafēna plēve, divdimensiju oglekļa kristāls, ir nestabila pret vērpi. Tiklīdz tas būs brīvā stāvoklī, tas nekavējoties sāks burzīt. Bija pat viedoklis, ka grafēnu nav iespējams izolēt. Zinātnieku darbs tika veikts 2004. gadā, un 2009. gadā jau tika iegūts grafēna gabals. Tas ir, gandrīz centimetra liela grafēna loksne. Un tagad mēs runājam par desmitiem centimetru.

– Kāpēc šis grafēns vispār ir vajadzīgs?

Visa elektronika šobrīd virzās elementu izmēra samazināšanas virzienā - tranzistori, elektrodi u.c.. Jo mazāki elementi ir procesora iekšienē, jo vairāk elementu tajā var ievietot un jaudīgāku procesoru var salikt. Līdz ar to tas veiks sarežģītākas loģiskās darbības. Kas var būt plānāks par vienu atomu slāni? Grafēnam ir īpašība būt plānam.

Turklāt tas vada elektrību. Un - gandrīz caurspīdīgs. Tajā pašā laikā tas ir diezgan spēcīgs: tas ir viens no spēcīgākajiem materiāliem uz atomu slāni. Tas praktiski neļauj citām vielām iziet cauri. Pat hēlija gāze nevar iekļūt grafēnā, tāpēc tas ir pilnīgi uzticams pārklājums. To var izmantot, piemēram, skārienekrānos, jo caurspīdīgais elektrods neaizsedz attēlu. Jūs varat mēģināt to izmantot elektronikā. Tagad viņi mēģina izstrādāt tranzistorus, kuru pamatā ir grafēni. Tiesa, šeit ir grūtības. Grafēnam ir anomālas īpašības, kas nedaudz apgrūtina tā izmantošanu tranzistoros. Bet pēc tam, kad esam iemācījušies iegūt atomu slāņus, tie, iespējams, jau ir pārvarami šķēršļi. Šis ir principiāli jauns materiāls. Nekad agrāk nekas tāds nav bijis. Plānākais monoslānis vadītājs, ko var izmantot tehnoloģijās un elektronikā.

Jaunajiem Nobela prēmijas laureātiem ir diezgan sarežģīta biogrāfija. Viens no viņiem ir Nīderlandes pilsonis, otrai ir divas pases: Lielbritānijas un Krievijas. Viņi strādāja, cik mums zināms, pētniecības centrā Mančestrā, Anglijā. Vai zinātne kļūst starptautiska, vai arī krievu zinātnieku skumjš liktenis ir izdarīt lielus atklājumus tikai tad, ja viņi ceļo uz ārzemēm?

Lai nodarbotos ar nopietnu zinātnisku darbu, nepieciešama ne tikai materiāli tehniskā bāze, bet arī vienkārši sirdsmiers. Zinātnieku nedrīkst mulsināt nekādi jautājumi. Andrejs Geims pirms 10 gadiem saņēma Ig Nobel prēmiju par eksperimentiem par varžu magnētisko levitāciju. Ig Nobel prēmija ir komiska antibalva par bezjēdzīgu darbu. Zinātniekam savā darbībā ir vajadzīga zināma brīvība. Tad dzimst idejas. Šodien es levitēju vardes, un rīt es saņemu grafēnus.

Ja cilvēkam ir tādi apstākļi, tad viņš strādā efektīvāk. Galu galā abi pašreizējie Nobela prēmijas laureāti fizikā studēja MIPT (Maskavas Fizikas un tehnoloģiju institūts – RS). Un pavisam drīz viņi aizbrauca uz Holandi, uz Lielbritāniju, jo tur darba gaisotne ir labvēlīgāka, lai atrastu pētījumu veikšanai nepieciešamos zinātniskos līdzekļus. Viņi noplēsa oglekļa plēves ar lenti, bet tās bija jāmēra ar atomu spēka mikroskopu. Tātad šim mikroskopam bija jābūt. Krievijā tie, protams, pastāv, taču tiem ir daudz grūtāk piekļūt.

Ja es saku, ka Krievijā ir laba pamatizglītība, kas ļauj ražot Nobela prēmijas laureātus, bet tajā pašā laikā nav nopietnas zinātniskas augsto tehnoloģiju bāzes eksperimentiem, vai tā būs taisnība?

Tāpat kā ar jebkuru vispārinājumu, šeit ir zināma stiepšanās. Mūsu izglītība vairs nav tik laba un gluda, jo daudzviet tiek iznīcinātas zinātniskās skolas. Lielais pārtraukums darbā 90. gados atstāja savu ietekmi. Krievijā ir dažas skolas, kurās joprojām viss norit ļoti labi, taču problēmas ir ar aprīkojumu un nopietnu, dārgu pētījumu veikšanu. Šis aprīkojums kaut kur nonāk: ik pa laikam tiek veikti diezgan nopietni pirkumi, piemēram, Kurčatova institūtam. Bet cik efektīvi tas tiek izmantots, ir liels jautājums. Tāpēc dažviet ir spēcīga zinātniskā skola, bet citās - līdzekļi tehnoloģijām. Prestiža un birokrātijas apsvērumu dēļ ir diezgan grūti tos apmainīt savā starpā. Krievijā ir iespējami arī augstas klases pētījumi, taču tos veikt ir daudz grūtāk - šeit ir grūtāka darba vide.

Zinātniskie pētījumi ir daudzpusīgi. Bet vai ir dažas jomas, kuras Nobela komiteja definē kā izrāvienu? Par ko vieglāk saņemt Nobela prēmiju? Vai arī tādu norādījumu nav?

Es apskatīju Nobela prēmijas laureātu sarakstu fizikā pēdējo 20 gadu laikā. Nav skaidras tendences. Iespējams, ir diezgan daudz balvu elementārdaļiņu fizikas un fundamentālo fizisko mijiedarbību jomā. Tas ir saprotams – viņi tur dara diezgan interesantus darbus. Bet šeit mums ir jāņem vērā svarīgs punkts. Mēdz teikt, ka, lai iegūtu Nobela prēmiju, nepietiek tikai ar izrāvienu. Mums vēl jānodzīvo līdz laikam, kad viņa tiks novērtēta. Tāpēc Nobela prēmija parasti tiek piešķirta cilvēkiem ļoti lielā vecumā. No šī viedokļa šī gada Nobela prēmija fizikā ir noteikuma izņēmums. Novoselovam tagad ir 36 gadi. Pēdējo 20 gadu laikā tāds gadījums starp fizikas balvām nav bijis un, manuprāt, vispār nav bijis! Pēdējo 8 gadu laikā neviens zinātnieks, kas jaunāks par 50 gadiem, nav saņēmis Nobela prēmiju, un daudzi to ir saņēmuši savos 70 vai pat 80 gados par darbu, kas veikts pirms gadu desmitiem.

Pašreizējā Nobela prēmija tika piešķirta, pārkāpjot noteikumus. Iespējams, Nobela komiteja uzskatīja, ka balva kļūst gerontoloģiska un ka tās saņemšanas vecums ir jāsamazina. Pēdējo reizi fizikas balva tika piešķirta “jaunā” vecumā 2001. gadā. Laureāti bija vecumā no 40 līdz 50 gadiem.

Tagad acīmredzot uzmanība ir pievērsta faktiskajam eksperimentālajam darbam. Tātad, lai gan Nobela prēmija neietver astronomiju, pēdējo 10 gadu laikā ir bijušas divas ļoti nozīmīgas balvas astrofizikā. Bija balvas augstas enerģijas fizikā un elementārdaļiņu fizikā, cietvielu fizikā, kondensēto vielu fizikā - tas ir, cietā, šķidrā un citos stāvokļos, kuros atomi atrodas tuvu viens otram. Gandrīz visi šie darbi vienā vai otrā veidā ir saistīti ar kvantu fiziku.

– Kāpēc tieši kvantu teorija? Vai tas ir saistīts ar dažām Nobela komitejas locekļu personīgajām vēlmēm? Vai arī šī tiešām ir tuvākā zinātniskā nākotne?

Iemesls ir ļoti vienkāršs. Patiesībā visa fizika mūsdienās, izņemot gravitācijas teoriju, ir kvantu. Gandrīz viss jaunais, kas tiek darīts fizikas jomā, izņemot atsevišķus blakus virzienus, uzlabojumus un izrāvienus, kas bija pagātnē, ir balstīts uz kvantu fiziku. Tikai gravitācija vēl nav padevusies šai "kvantēšanai". Un viss pārējais, kas attiecas uz fizikas pamatiem, ir kvantu teorija un matērijas kvantu teorija.

Kas viņš ir? Novoselovs Konstantīns Sergejevičs!

Biogrāfija

Slavenais zinātnieks dzimis Sverdlovskas apgabala Ņižņijagilas pilsētā 1974. gada 23. augustā inženiera un angļu valodas skolotāja ģimenē 39. skolā, kuras dibinātājs un direktors savulaik bija viņa vectēvs Viktors Konstantinovičs Novoselovs.

Mācoties sestajā klasē, Konstantīns atklāj neparastas spējas un ieņem pirmo vietu novada fizikas olimpiādē, bet nedaudz vēlāk Vissavienības olimpiādē atkārto savu panākumu, iekļūstot labāko desmitniekā. 1991. gadā viņš absolvēja papildu fizikas un tehnoloģiju neklātienes skolu un tajā pašā gadā kļuva par Maskavas Fizikas un tehnoloģijas institūta studentu. Viņš studē specialitātē “nanotehnoloģijas” Fizikālās un kvantu elektronikas fakultātē un ar izcilību beidz institūtu, pēc tam tiek pieņemts darbā Krievijas Zinātņu akadēmijas Mikroelektronikas tehnoloģiju problēmu institūtā (Mikroelektronikas problēmu institūts). Krievijas Zinātņu akadēmijas tehnoloģija) Černogolovkā. Tur viņš pabeidza aspirantūras studijas Jurija Dubrovska vadībā.

Ārzemēs

1999. gadā Konstantīns Sergejevičs Novoselovs, fiziķis ar jau izveidotu reputāciju, pārcēlās uz Nīderlandi. Tur, Neimegenas Universitātē, viņš strādā kopā ar Andreju Geimu. Kopš 2001. gada zinātnieki strādā kopā Mančestras Universitātē. 2004. gadā ieguvis filozofijas doktora grādu (vadītājs Jan-Kīss Māns).

Šobrīd Konstantīns Sergejevičs Novoselovs ir Karaliskās biedrības profesors un Mančestras universitātes fizisko un matemātisko zinātņu profesors, un viņam ir dubultpilsonība (Krievija un Lielbritānija). Pašlaik dzīvo Mančestrā.

Pētījumi

Ar ko Konstantīns Sergejevičs Novoselovs ir slavens? Pēc analītiskās aģentūras Thomson Reuters datiem, krievu un britu fiziķis ir viens no visbiežāk citētajiem zinātniekiem. No viņa pildspalvas nāca 190 zinātniski raksti. Tomēr viņa nozīmīgākais pētījums, protams, ir grafēns. Daudzi ir dzirdējuši šo vārdu, kas šķiet vienkāršs un pazīstams. Tehnoloģija ir patiesi lakoniska un eleganta, tāpat kā viss ģeniālais. Turpmāka izpēte var novest cilvēci uz īpaši ātru un īpaši plānu mobilo un datoru ierīču, elektrisko automašīnu un izturīgu, bet ļoti vieglu konstrukciju laikmetu.

Apbalvojumi

Kad Konstantīns Sergejevičs Novoselovs sāka strādāt Mančestras Universitātē, par viņa vadītāju kļuva vecākais kolēģis no Krievijas, kurš līdz tam laikam jau ilgu laiku bija nodarbojies ar šīs jomas pētniecību un paguva atveidot gekonu ķepu saķeres mehānismu. un uz tās pamata izveidoja līmlenti, ko fiziķi vēlāk izmantoja darbā ar grafēnu. Pirms tam Geimam palīdzēja kāds ķīniešu students, taču, pēc paša fiziķa domām, darbs sāka virzīties uz priekšu tikai pēc tam, kad Konstantīns Sergejevičs Novoselovs ķērās pie lietas. Nobela prēmija viņiem tika piešķirta 2010. gada oktobrī. Novoselovs tagad ir pazīstams kā jaunākais Nobela prēmijas laureāts fizikā (pēdējo 37 gadu laikā), turklāt šobrīd viņš ir vienīgais zinātnieks starp Nobela prēmijām, kurš dzimis pēc 1970. gada.

Tajā pašā 2010. gadā Novoselovs saņēma Nīderlandes lauvas ordeņa komandiera titulu par nozīmīgo ieguldījumu Nīderlandes zinātnē, un nedaudz vēlāk, 2011. gadā, karalienes Elizabetes II dekrēts viņu padarīja par bruņinieka bakalauru, jau par savu ieguldījumu Lielbritānijas zinātnē. Bruņinieku piešķiršanas ceremonija notika nedaudz vēlāk, 2012. gada pavasarī, kā jau bija paredzēts, Bekingemas pilī. To vadīja karalienes meita princese Anna.

Jāteic, ka Konstantīns Sergejevičs Novoselovs, kura zinātniskā un sabiedriskā darbība ir ļoti plaša, saņēma kārtējo prestižo balvu par grafēna pētniecību, 2008. gadā kļūstot par Eirofizikas balvas laureātu. Tas tiek piešķirts reizi divos gados; starp tā saņēmējiem bija tikai trīspadsmit Nobela prēmijas laureāti. Balva sastāv no naudas balvas un atbilstoša sertifikāta. Viņš arī saņēma Kurti balvu, taču ne par grafēnu, bet gan par sasniegumu sarakstu darbā ar zemu temperatūru un magnētiskajiem laukiem.

Par ģimeni un dzīvi

Konstantīns Novoselovs ir laimīgi precējies ar sievu Irinu. Lai gan viņa ir arī krieviete, zinātnieki tikās ārzemēs, Nīderlandē. Irina, dzimusi no Vologdas, nodarbojas ar pētniecību mikrobioloģijas jomā (disertāciju viņa aizstāvēja Sanktpēterburgā). Pārim ir divas meitas, 2009. gadā dzimušas dvīnes Sofija un Vika.

Konstantīns Sergejevičs, pēc viņa paša vārdiem, nav tāds tēvs, kurš nedēļām ilgi sēž laboratorijā, palaižot garām savu bērnu bērnību. Viņam pasaulē mazākā tranzistora izgudrošana un meitas mācīšana skaitīt līdz divdesmit septiņiem ir kaut kas līdzvērtīgs. "Neviens nekad to nav darījis," viņš saka.

Savukārt viņa vecāki nekad nav mēģinājuši ierobežot dēla intereses. Viņi vienmēr bija pārliecināti, ka viņu dēls ir ļoti apdāvināts, un, kā saka pats fiziķis, viņi nebija pārsteigti, kad viņš saņēma Nobela prēmiju.

Intervijā žurnālam Esquire viņš atzina, ka sapņo iemācīties spēlēt klavieres. Viņš mācās, taču, pēc paša atziņas, rezultāti joprojām ir viduvēji.

Par PSRS

Konstantīns Sergejevičs dzimis PSRS un ieguvis izcilu izglītību. Viņš pats atzīst, ka tik dziļas zināšanas var iegūt reti. Taču atgriezties Krievijā viņš neplāno. Varbūt tieši tāpēc daži žurnālisti viņam neviļus pārmet patriotisma trūkumu. Uz to zinātnieks atbild, ka runa nav par naudu, vienkārši Lielbritānijā ir mierīgāk strādāt, jo neviens tavās lietās neiejaucas.

Novoselovs dzīvi uztver viegli un nekavējas pie neveiksmēm - tas ir viens no viņa pamatnoteikumiem. Ja attiecībās ar cilvēkiem rodas grūtības, viņš cenšas nenovest pie šķiršanās, bet, ja tas ir neizbēgami, pēdējo vārdu atstāj otram. Slavenajam fiziķim dzīvē ir daudz ierasto problēmu, piemēram, viņš būtu gatavs tērēt jebkuru naudu, lai tikai iegūtu kādu brīvo laiku.

Bet viņš nedala savu dzīvi darbā un atpūtā, iespējams, tā ir zinātnieka produktivitātes atslēga. Mājās viņš domā par fiziku, un darbā viņš vienkārši atslābina dvēseli.

Kas ir grafēns

Neskatoties uz, protams, visiem sasniegumiem fizikas jomā, Novoselova galvenais darbs bija un joprojām ir grafēns. Šī struktūra, ko mūsu tautieši pirmie ieguva laboratorijas apstākļos, ir divdimensiju oglekļa atomu “tīkls” tikai viena atoma biezumā. Pats Novoselovs apgalvo, ka tehnoloģija nav sarežģīta un ikviens var izveidot grafēnu, gandrīz no improvizētiem līdzekļiem. Viņš saka, ka viss, kas jums jādara, ir jāiegādājas labs grafīts, lai gan jūs pat varat izmantot zīmuļus un nedaudz tērēt silīcija vafeles un lentes. Tas arī viss, komplekts grafēna veidošanai ir gatavs! Tādējādi materiāls nekļūs tikai par lielu korporāciju īpašumu, Novoselovs un Game burtiski to atdeva visai pasaulei.

Pārsteidzošas īpašības

Fiziķi pārsteidz arī šī materiāla elektroniskās īpašības. Pēc viņa teiktā, grafēnu var izmantot tranzistoros, ko daži uzņēmumi jau cenšas darīt, nomainot parastās detaļas mobilajās ierīcēs.

Pēc Novoselova domām, grafēns radīs revolūciju tehnoloģijā. Jebkuras zinātniskās fantastikas filmas neatņemama sastāvdaļa ir neticami sīkrīki, caurspīdīgi, plāni, nesalaužami un ar lielisku funkcionalitāti. Ja grafēns pamazām aizstās novecojušo silīciju, dzīvē parādīsies tehnoloģijas no kino.

Kas vēl ir ievērojams Novoselova un Geima pētījumos? Tas, ka tie gandrīz acumirklī migrēja no laboratorijām uz montāžas līnijām un pat vairāk, izrādījās ļoti noderīgi jau pirmajos gados.

Nākotnes tehnoloģijas

Kur tagad izmanto grafēnu? Šķiet, ka šādu nesen atklātu materiālu vēl nevarētu plaši izplatīt, un zināmā mērā tā ir taisnība. Gandrīz visas izstrādes joprojām ir eksperimentālas un nav izlaistas masveida ražošanā. Tomēr tagad viņi mēģina izmantot šo materiālu burtiski visās jomās, ko, iespējams, var saukt par īstu "grafēna drudzi".

Pats grafēns, neskatoties uz vieglo svaru un gandrīz pilnīgu caurspīdīgumu (absorbē 2% no caurlaidīgās gaismas, tieši tāpat kā parastais logu stikls), materiāls ir ļoti izturīgs. Jaunākie amerikāņu zinātnieku pētījumi liecina, ka grafēns labi sajaucas ar plastmasu. Tā rezultātā tiek iegūts īpaši izturīgs materiāls, ko var izmantot it visā, sākot no mēbelēm un mobilajiem tālruņiem līdz raķešu zinātnei.

No grafēna jau ir izveidoti elektromobiļu akumulatoru prototipi. Tos raksturo liela jauda un īss uzlādes laiks. Iespējams, šādi tiks atrisināta problēma ar elektromobiļiem, transports kļūs lēts un videi draudzīgs.

Grafēns tiek izmantots jaunu tālruņu skārienpaneļu izstrādē. Ja klasiskie sensori var darboties tikai uz līdzenas virsmas, tad grafēnam šī trūkuma nav, jo to var visādi izliekt. Turklāt augsta elektriskā vadītspēja padarīs reakciju minimālu.

Aviācijā

Raķešu un lidmašīnu korpusi, kas izgatavoti, izmantojot grafēnu, būs vairākas reizes vieglāki, kas ievērojami samazinās degvielas izmaksas. Lidojumi kļūs tik lēti, ka ikviens varēs atļauties ceļojumu uz otru zemes malu. Bet, bez pasažieru pārvadājumiem, tas, protams, ietekmēs arī kravu satiksmi. Piegāde attāliem planētas nostūriem kļūs daudz labāka, kas nozīmē, ka tur dzīvos un strādās vairāk cilvēku.

MASKAVA, 5. oktobris — RIA Novosti. 2010. gada Nobela prēmija fizikā kļuva par svētkiem uzreiz divām valstīm, laureātu dzimtenei Krievijai un viņu pašreizējai mājvietai Lielbritānijai. Zviedrijas akadēmiķi piešķīra augstāko zinātnisko apbalvojumu Andrejam Geimam un Konstantīnam Novoselovam par divdimensiju oglekļa formas - grafēna atklāšanu, izraisot Krievijas zinātnieku nožēlu par intelektuālā darbaspēka aizplūšanu, bet britiem cerot uz zinātnes finansējuma saglabāšanu.

"Žēl, ka Geims un Novoselovs savus atklājumus veica ārzemēs," sacīja RIA Novosti Maskavas Valsts universitātes Polimēru un kristālu fizikas katedras vadītājs, Krievijas Zinātņu akadēmijas akadēmiķis Aleksejs Hohlovs.

"Valdībai būtu jāmācās no Nobela komitejas lēmuma," sacīja Karaliskās biedrības prezidents profesors Martins Rīss, komentējot Nobela prēmijas fizikā piešķiršanu. Viņš atgādināja, ka daudzi zinātnieki, tostarp ārvalstu zinātnieki, kuri strādā Lielbritānijā, var vienkārši aizbraukt uz citām valstīm, ja tiks samazināts finansējums.

Lielbritānijas valdība 20.oktobrī nāks klajā ar plāniem būtiskiem valdības izdevumu samazinājumiem. Paredzams, ka zinātne un augstākā izglītība būs viena no jomām, ko samazinājumi skars visvairāk.

MIPT absolventi Geims un Novoselovs, kuri strādā Mančestrā, saņēma balvu "par inovatīviem eksperimentiem divdimensiju materiāla grafēna izpētē". Viņi savā starpā sadalīs 10 miljonus Zviedrijas kronu (apmēram vienu miljonu eiro). Balvas pasniegšanas ceremonija notiks Stokholmā 10. decembrī, tās dibinātāja Alfrēda Nobela nāves dienā.

Grafēns kļuva par pirmo divdimensiju materiālu vēsturē, kas sastāv no viena oglekļa atomu slāņa, kas savstarpēji savienoti ar ķīmisko saišu struktūru, kas savā ģeometrijā atgādina šūnveida struktūru. Ilgu laiku tika uzskatīts, ka šāda struktūra nav iespējama.

"Tika uzskatīts, ka šādi divdimensiju viena slāņa kristāli nevar pastāvēt. Tiem jāzaudē stabilitāte un jāpārvēršas par kaut ko citu, jo šī patiesībā ir plakne bez biezuma," bijušais laureātu priekšnieks, Problēmu institūta direktors. Krievijas Zinātņu akadēmijas (IPTM) mikroelektronikas tehnoloģiju un ļoti tīru materiālu nodaļai RIA Novosti pastāstīja Vjačeslavs Tulins.

Tomēr “neiespējamajam” materiālam, kā izrādās, ir unikālas fizikālās un ķīmiskās īpašības, kas padara to neaizstājamu dažādās jomās. Grafēns vada elektrību, kā arī varu; to var izmantot, lai izveidotu skārienekrānus, saules baterijas un elastīgas elektroniskas ierīces.

"Šī ir nākotnes revolūcija mikroelektronikā. Ja datori tagad ir gigaherci, tad būs teraherci un tā tālāk. Tranzistori un visi citi elektronisko shēmu elementi tiks izveidoti uz grafēna bāzes," MIPT profesors Aleksejs Fomičevs. kvantu elektronikas nodaļa, pastāstīja RIA Novosti.

Grafēns jau ir atradis vienu pielietojuma jomu: saules fotoelementus. "Iepriekš saules bateriju ražošanā indija oksīdus, kas leģēti ar alvu, izmantoja kā caurspīdīgu elektrodu. Taču izrādījās, ka vairāki grafēna slāņi ir daudz efektīvāki," sacīja Klasteru struktūru fizikas laboratorijas vadītājs Aleksandrs Vuls. Krievijas Zinātņu akadēmijas Sanktpēterburgas Ioffes Fizikāli tehniskajā institūtā.

Vispirms no fizikas un tehnoloģijas

Andrejs Geims un Konstantīns Novoselovs ir pirmie Maskavas Fizikas un tehnoloģijas institūta absolventi, kas saņēmuši Nobela prēmiju: pirms tam MIPT dibinātāji un darbinieki - Pjotrs Kapica, Nikolajs Semenovs, Ļevs Landau, Igors Tamms, Aleksandrs Prohorovs, Nikolajs Basovs. , Vitālijs Ginzburgs un Aleksejs Abrikosovs. Geims absolvējis Vispārējās un lietišķās fizikas fakultāti (GPPF) 1982. gadā, Novoselovs - Fizikālās un kvantu elektronikas fakultāti (FFQE) 1997. gadā. Abi absolventi saņēma izcilības diplomus.

"Šīs ir lieliskas ziņas. Mēs esam ļoti gandarīti par Nobela komitejas lēmumu. MIPT jau ir nosūtījis apsveikumus jaunajiem Nobela prēmijas laureātiem," RIA Novosti otrdien sacīja MIPT rektors Nikolajs Kudrjavcevs.

Pēc rektora teiktā, darbinieki "izcēla savus personīgos dokumentus no arhīva un pārliecinājās, ka tie ir izcili studenti". Tajā pašā laikā Andrejs Geims neienāca institūtā pirmo reizi, gadu strādājot rūpnīcā, bet “izrādīja neatlaidību” un kļuva par MIPT studentu.

"Visā studiju laikā FOPF Geims saņēma visaugstākās atsauksmes no skolotājiem. Un Geima diplomdarbu izlaiduma komisija novērtēja īpaši augstu," sacīja MIPT vadītājs.

Fizikālās un kvantu elektronikas fakultātes 152. grupas students Konstantīns Novoselovs, kā atzīmēja Kudrjavcevs, “apmeklēja nodarbības neregulāri, taču visus uzdevumus nokārtoja veiksmīgi un laikā”.

"Un arī skolotāju atsauksmes par Novoselovu ir visaugstākās. Tas nozīmē, ka viņš bija tik talantīgs, ka kopumā viņam nebija jāapmeklē visas nodarbības," arhīva dokumentus komentēja MIPT rektors.

No Šnobela līdz Nobelam

Spēles kolēģis, Konstantīns Novoselovs, kļuva par jaunāko Nobela prēmijas laureātu ar Krievijas pilsonību: 36 gadus vecais fiziķis ir sešus gadus jaunāks par savu padomju kolēģi Nikolaju Basovu, kurš 42 gadu vecumā saņēma 1964. gada balvu par darbu kvantu elektronikas jomā, kas noveda pie emitētāju un pastiprinātāju izveide, pamatojoties uz lāzera-masera principu.

Visjaunākais Nobela prēmijas ieguvējs vēsturē bija Lorenss Bregs, kurš 25 gadu vecumā dalīja fizikas balvu ar savu tēvu Viljamu Henriju Bregu. Nākamās četras pozīcijas jaunāko laureātu sarakstā vēsturē arī ieņem fiziķi: Verners Heizenbergs, Zongdao Li, Karls Andersons un Pols Diraks balvu saņēma 31 gada vecumā.

Konstantīns Novoselovs tomēr ieies balvas vēsturē kā pirmais pagājušā gadsimta 70. gados dzimušās paaudzes pārstāvis. Kā vēsta balvas tīmekļa vietne, iepriekšējās desmitgades laureātu sarakstā ir fiziķis Ēriks Kornels, biologi Kerola Greidere un Kreigs Mello, kā arī ASV prezidents Baraks Obama, kurš saņēma Nobela Miera prēmiju. Laureātu sarakstā nav neviena jaunāka par 1961. gadu, izņemot Novoselovu.

No redaktora: pieskaroties tēmai par Krievijas ekonomikas modernizāciju un augsto tehnoloģiju attīstību mūsu valstī, izvirzījām uzdevumu ne tikai pievērst lasītāju uzmanību trūkumiem, bet arī runāt par pozitīviem piemēriem. Turklāt ir tādi, un diezgan daudz. Pagājušajā nedēļā runājām par kurināmā elementu attīstību Krievijā, bet šodien par grafēnu, par kura īpašību izpēti “mūsu bijušie cilvēki” nesen saņēma Nobela prēmiju. Izrādās, ka Krievijā vai precīzāk Novosibirskā pie šī materiāla strādā ļoti nopietni.

Silīcijs kā mikroelektronikas pamats ir stingri ieguvis pozīcijas augsto tehnoloģiju telpā, un tas nenotika nejauši. Pirmkārt, silīcijam ir salīdzinoši viegli piešķirt vēlamās īpašības. Otrkārt, zinātnei tas ir zināms jau ilgu laiku un ir pētīts tālu un plaši. Trešais iemesls ir tas, ka silīcija tehnoloģijā ir ieguldītas patiesi milzīgas naudas summas, un tikai daži cilvēki uzdrošinās derēt par jauno materiālu. Galu galā tam būs jāatjauno milzīga rūpniecības nozare. Pareizāk sakot, izveidojiet to gandrīz no nulles.

Tomēr ir arī citi pretendenti uz vadību kā pusvadītāju materiālu. Piemēram, grafēns, kas kļuva ļoti modē pēc Nobela prēmijas piešķiršanas par tā īpašību izpēti. Patiešām ir iemesli pāriet uz to no silīcija, jo grafēnam ir vairākas būtiskas priekšrocības. Bet vai mēs galu galā iegūsim “elektroniku uz grafēna”, vēl nav skaidrs, jo līdzās priekšrocībām ir arī trūkumi.

Lai runātu par grafēna izredzēm mikroelektronikā un tā unikālajām īpašībām, mēs Novosibirskā tikāmies ar nosauktā Neorganiskās ķīmijas institūta galveno pētnieku. A.V. Nikolajevs SB RAS, ķīmijas zinātņu doktors, profesors Vladimirs Fedorovs.

Alla Aršinova: Vladimirs Efimovičs, kāda ir silīcija pašreizējā pozīcija mikroelektronikā?

Vladimirs Fjodorovs: Silīcijs ir izmantots rūpniecībā ļoti ilgu laiku kā galvenais pusvadītāju materiāls. Fakts ir tāds, ka tas ir viegli leģēts, tas ir, tam var pievienot dažādu elementu atomus, kas īpaši maina fizikālās un ķīmiskās īpašības. Šī augstas tīrības pakāpes silīcija modifikācija ļauj iegūt n vai p tipa pusvadītāju materiālus. Tādējādi silīcija virziena dopings regulē mikroelektronikai svarīgu materiālu funkcionālās īpašības.

Silīcijs patiešām ir unikāls materiāls, un tāpēc tajā ir ieguldīts tik daudz pūļu, naudas un intelektuālo resursu. Silīcija pamatīpašības ir pētītas tik detalizēti, ka ir plaši izplatīts uzskats, ka to vienkārši nevar aizstāt. Tomēr jaunākie pētījumi par grafēnu ir devuši zaļo gaismu citam viedoklim, proti, ka jaunus materiālus varētu izstrādāt līdz vietai, kur tie varētu aizstāt silīciju.

Silīcija kristāliskā struktūra

Šādas diskusijas zinātnē rodas periodiski, un, kā likums, tās tiek atrisinātas tikai pēc nopietniem pētījumiem. Piemēram, nesen līdzīga situācija bija ar augstas temperatūras supravadītājiem. 1986. gadā Bednorcs un Millers atklāja supravadītspēju bārija-lantāna-vara oksīdā (par šo atklājumu viņiem tika piešķirta Nobela prēmija 1987. gadā - gadu pēc atklājuma!), kas tika konstatēta temperatūrā, kas ir ievērojami augstāka par vērtībām. raksturīgs iepriekš zināmajam supravadošo materiālu laikam. Turklāt kuprāta supravadītāju savienojumu struktūra būtiski atšķīrās no zemas temperatūras supravadītājiem. Pēc tam saistīto sistēmu pētījumu lavīna izraisīja materiālu ražošanu ar supravadītāja pārejas temperatūru 90 K un augstāku. Tas nozīmēja, ka dārgā un kaprīza šķidrā hēlija vietā kā dzesēšanas šķidrumu varētu izmantot šķidro slāpekli - dabā tā ir daudz gāzveida veidā, turklāt tas ir ievērojami lētāks par hēliju.

Bet diemžēl šī eiforija drīz izgaisa pēc rūpīgas jaunu augstas temperatūras supravadītāju izpētes. Šie polikristāliskie materiāli, tāpat kā citi kompleksie oksīdi, ir kā keramika: tie ir trausli un nekaļami. Izrādījās, ka katra kristāla iekšpusē supravadītspējai ir labi parametri, bet kompaktajos paraugos kritiskās strāvas ir diezgan zemas, kas ir saistīts ar vājiem kontaktiem starp materiāla graudiem. Vāji Džozefsona savienojumi starp supravadošiem graudiem neļauj ražot materiālu (piemēram, stiepli) ar augstām supravadītspējas īpašībām.

Saules baterija uz polikristāliskā silīcija bāzes

Tāda pati situācija var notikt ar grafēnu. Šobrīd tam ir atrastas ļoti interesantas īpašības, taču vēl ir jāveic plaši pētījumi, lai galīgi atbildētu uz jautājumu par iespēju ražot šo materiālu rūpnieciskā mērogā un izmantot nanoelektronikā.

Alla Aršinova: Lūdzu, paskaidrojiet, kas ir grafēns un kā tas atšķiras no grafīta?

Vladimirs Fjodorovs: Grafēns ir no oglekļa atomiem veidots monoatomisks slānis, kuram, tāpat kā grafītam, ir šūnveida režģis. Un grafīts attiecīgi ir grafēna slāņi, kas sakrauti viens virs otra. Grafēna slāņi grafītā ir savienoti viens ar otru ar ļoti vājām van der Vāla saitēm, tāpēc galu galā ir iespējams tos atdalīt vienu no otra. Kad mēs rakstām ar zīmuli, šis ir piemērs tam, kā mēs noņemam grafīta slāņus. Tiesa, uz papīra palikušās zīmuļa pēdas vēl nav grafēns, bet gan grafēna daudzslāņu struktūra.

Tagad katrs bērns var nopietni apgalvot, ka viņš ne tikai pārnes papīru, bet arī veido sarežģītu grafēna daudzslāņu struktūru

Bet, ja šādu struktūru ir iespējams sadalīt līdz vienam slānim, tad tiek iegūts īsts grafēns. Līdzīgus sadalījumus veica šī gada Nobela prēmijas laureāti fizikā Geims un Novoselovs. Grafītu izdevās sadalīt, izmantojot lenti, un, izpētot šī “grafīta slāņa” īpašības, izrādījās, ka tam ir ļoti labi parametri izmantošanai mikroelektronikā. Viena no ievērojamajām grafēna īpašībām ir tā augstā elektronu mobilitāte. Viņi saka, ka grafēns kļūs par neaizstājamu materiālu datoriem, tālruņiem un citam aprīkojumam. Kāpēc? Jo šajā jomā ir tendence paātrināt informācijas apstrādes procedūras. Šīs procedūras ir saistītas ar pulksteņa ātrumu. Jo augstāka ir darbības frekvence, jo vairāk darbību var apstrādāt laika vienībā. Tāpēc lādiņu nesēju ātrums ir ļoti svarīgs. Izrādījās, ka lādiņu nesēji grafēnā uzvedas kā relativistiskas daļiņas ar nulles efektīvo masu. Šīs grafēna īpašības patiešām dod cerību, ka izdosies radīt ierīces, kas spēj darboties terahercu frekvencēs, kuras silīcijam nav pieejamas. Šī ir viena no interesantākajām materiāla īpašībām.

Nobela prēmijas laureāti fizikā 2010 Andrē Geims un Konstantīns Novoselovs

Elastīgas un caurspīdīgas plēves var iegūt no grafēna, kas arī ir ļoti interesants vairākiem lietojumiem. Vēl viens pluss ir tas, ka tas ir ļoti vienkāršs un ļoti viegls materiāls, vieglāks par silīciju; Turklāt dabā ir daudz oglekļa. Tāpēc, ja viņi patiešām atradīs veidu, kā izmantot šo materiālu augstajās tehnoloģijās, tad, protams, tam būs labas izredzes un, iespējams, ar laiku tas aizstās silīciju.

Bet ir viena būtiska problēma, kas saistīta ar zemu dimensiju vadītāju termodinamisko stabilitāti. Kā zināms, cietās vielas iedala dažādās telpiskās sistēmās; piemēram, 3D (trīsdimensiju) sistēma ietver tilpuma kristālus. Divdimensiju (2D) sistēmas attēlo slāņaini kristāli. Un ķēdes struktūras pieder viendimensijas (1D) sistēmai. Tātad zemas dimensijas - 1D ķēdes un 2D slāņveida struktūras ar metāliskām īpašībām nav stabilas no termodinamiskā viedokļa, temperatūrai pazeminoties, tās mēdz pārvērsties par sistēmu, kas zaudē metāliskās īpašības. Tās ir tā sauktās metāla-dielektriskās pārejas. Cik stabili būs grafēna materiāli dažās ierīcēs, vēl ir jāredz. Protams, grafēns ir interesants gan no elektrofizikālo īpašību, gan no mehānisko īpašību viedokļa. Tiek uzskatīts, ka monolītais grafēna slānis ir ļoti spēcīgs.

Alla Aršinova: Stiprāks par dimantu?

Vladimirs Fjodorovs: Dimantam ir trīsdimensiju saites, un tas ir mehāniski ļoti izturīgs. Grafītā starpatomiskās saites plaknē ir vienādas, iespējams, pat spēcīgākas. Fakts ir tāds, ka no termodinamiskā viedokļa dimantam vajadzētu pārvērsties grafītā, jo grafīts ir stabilāks nekā dimants. Bet ķīmijā ir divi svarīgi faktori, kas kontrolē transformācijas procesu: fāžu termodinamiskā stabilitāte un procesa kinētika, tas ir, vienas fāzes pārvēršanās ātrums citā. Tātad, dimanti gadsimtiem ilgi guļ muzejos visā pasaulē un nevēlas pārvērsties grafītā, lai gan vajadzētu. Varbūt pēc miljoniem gadu tie tomēr pārtaps grafītā, lai gan būtu ļoti žēl. Dimanta pārtapšanas grafītā istabas temperatūrā process notiek ļoti lēni, taču, ja dimantu uzsildīsi līdz augstai temperatūrai, tad kinētiskā barjera būs vieglāk pārvarama, un tas noteikti notiks.

Grafīts sākotnējā formā

Alla Aršinova: Jau sen ir zināms, ka grafītu var sadalīt ļoti plānās pārslās. Kāds tad bija 2010. gada Nobela prēmijas laureātu sasniegums fizikā?

Vladimirs Fjodorovs: Jūs droši vien pazīstat tādu personāžu kā Petriks. Pēc Nobela prēmijas pasniegšanas Andrejam Geimam un Konstantīnam Novoselovam viņš paziņoja, ka Nobela prēmija viņam ir nozagta. Atbildot uz to, Geims sacīja, ka patiešām šādi materiāli bija zināmi ļoti ilgu laiku, taču viņiem tika piešķirta balva par grafēna īpašību izpēti, nevis par metodes atklāšanu tā ražošanai kā tādai. Faktiski viņu nopelns ir tāds, ka viņi spēja atdalīt ļoti labas kvalitātes grafēna slāņus no ļoti orientēta grafīta un detalizēti izpētīt to īpašības. Grafēna kvalitāte ir ļoti svarīga, tāpat kā silīcija tehnoloģijā. Kad viņi uzzināja, kā iegūt ļoti augstas tīrības pakāpes silīciju, tikai tad kļuva iespējama uz tā balstīta elektronika. Tāda pati situācija ir ar grafēnu. Geims un Novoselovs paņēma ļoti tīru grafītu ar perfektiem slāņiem, izdevās atdalīt vienu slāni un pētīt tā īpašības. Viņi bija pirmie, kas pierādīja, ka šim materiālam ir unikālu īpašību kopums.

Alla Aršinova: Saistībā ar Nobela prēmijas piešķiršanu zinātniekiem ar krievu saknēm, kas strādā ārzemēs, mūsu tautieši, kuri ir tālu no zinātnes, domā, vai tādus pašus rezultātus bija iespējams sasniegt šeit, Krievijā?

Vladimirs Fjodorovs: Droši vien tas bija iespējams. Viņi vienkārši aizgāja īstajā laikā. Viņu pirmais raksts, kas publicēts žurnālā Nature, bija līdzautors ar vairākiem Černogolovkas zinātniekiem. Acīmredzot šajā virzienā strādāja arī mūsu krievu pētnieki. Taču to nebija iespējams pārliecinoši pabeigt. Žēl gan. Iespējams, viens no iemesliem ir labvēlīgāki apstākļi darbam ārvalstu zinātniskajās laboratorijās. Nesen atbraucu no Korejas un varu salīdzināt man tur dotos darba apstākļus ar darbu mājās. Tā nu tur es ne ar ko nodarbojos, bet mājās biju pilna ar rutīnas pienākumiem, kas aizņēma daudz laika un nemitīgi novērsa uzmanību no galvenā. Man tika nodrošināts viss nepieciešamais, un tas tika paveikts pārsteidzošā ātrumā. Piemēram, ja man vajag kaut kādu reaģentu, es uzrakstu zīmīti, un viņi man to atnes nākamajā dienā. Man ir aizdomas, ka arī Nobela prēmijas laureātiem ir ļoti labi darba apstākļi. Nu, viņiem bija pietiekami daudz neatlaidības: viņi daudzas reizes mēģināja iegūt labu materiālu un beidzot guva panākumus. Viņi patiešām veltīja tam daudz laika un pūļu, un šajā ziņā balva tika piešķirta pelnīti.

Alla Aršinova: Kādas tieši ir grafēna priekšrocības salīdzinājumā ar silīciju?

Vladimirs Fjodorovs: Pirmkārt, mēs jau teicām, ka tam ir augsta nesēju mobilitāte; kā saka fiziķi, lādiņu nesējiem nav masas. Masa vienmēr palēnina kustību. Un grafēnā elektroni pārvietojas tā, ka tos var uzskatīt par bezmasas. Šis īpašums ir unikāls: ja ir citi materiāli un daļiņas ar līdzīgām īpašībām, tie ir ārkārtīgi reti. Šim nolūkam grafēns izrādījās labs, un tāpēc tas ir labvēlīgs salīdzinājumā ar silīciju.

Otrkārt, grafēnam ir augsta siltumvadītspēja, un tas ir ļoti svarīgi elektroniskām ierīcēm. Tas ir ļoti viegls, un grafēna loksne ir caurspīdīga un elastīga, un to var sarullēt. Grafēns var būt ļoti lēts, ja tiek izstrādātas optimālas metodes tā ražošanai. Galu galā Game un Novoselova demonstrētā “skoču metode” nav rūpnieciska. Ar šo metodi tiek iegūti patiešām augstas kvalitātes paraugi, bet ļoti mazos daudzumos, tikai pētniecībai.

Un tagad ķīmiķi izstrādā citus veidus, kā ražot grafēnu. Galu galā jums ir jāiegūst lielas loksnes, lai aktivizētu grafēna ražošanu. Mēs arī šeit, Neorganiskās ķīmijas institūtā, risinām šos jautājumus. Ja viņi iemācīsies sintezēt grafēnu, izmantojot metodes, kas ļautu ražot augstas kvalitātes materiālu rūpnieciskā mērogā, tad ir cerība, ka tas radīs revolūciju mikroelektronikā.

Alla Aršinova: Kā jau visi droši vien zina no medijiem, grafēna daudzslāņu struktūru var iegūt, izmantojot zīmuli un līmlenti. Kāda ir grafēna ražošanas tehnoloģija, ko izmanto zinātniskajās laboratorijās?

Vladimirs Fjodorovs: Ir vairākas metodes. Viens no tiem ir zināms ļoti ilgu laiku, tas ir balstīts uz grafīta oksīda izmantošanu. Tās princips ir pavisam vienkāršs. Grafītu ievieto ļoti oksidējošu vielu (piemēram, sērskābes, slāpekļskābes u.c.) šķīdumā, un, karsējot, tas sāk mijiedarboties ar oksidētājiem. Šajā gadījumā grafīts tiek sadalīts vairākās loksnēs vai pat monatomiskos slāņos. Bet iegūtie monoslāņi nav grafēns, bet ir oksidēts grafēns, kas satur pievienotas skābekļa, hidroksilgrupas un karboksilgrupas. Tagad galvenais uzdevums ir atjaunot šos slāņus grafēnā. Tā kā oksidēšanās rezultātā veidojas mazas daļiņas, tās kaut kādā veidā jāsalīmē, lai iegūtu monolītu. Ķīmiķu pūles ir vērstas uz izpratni, kā no grafīta oksīda iespējams izgatavot grafēna loksni, kuras ražošanas tehnoloģija ir zināma.

Ir vēl viena metode, arī diezgan tradicionāla un zināma jau ilgu laiku - tā ir ķīmiska tvaiku nogulsnēšanās, piedaloties gāzveida savienojumiem. Tās būtība ir šāda. Vispirms reakcijas vielas tiek sublimētas gāzes fāzē, pēc tam tās tiek izvadītas caur līdz augstām temperatūrām uzkarsētu substrātu, uz kura tiek nogulsnēti vēlamie slāņi. Kad ir izvēlēts sākuma reaģents, piemēram, metāns, to var sadalīt tā, ka ūdeņradis tiek atdalīts un ogleklis paliek uz substrāta. Bet šos procesus ir grūti kontrolēt, un ir grūti iegūt ideālu slāni.

Grafēns ir viena no oglekļa alotropajām modifikācijām

Ir vēl viena metode, ko tagad sāk aktīvi izmantot - interkalētu savienojumu izmantošanas metode. Grafītā, tāpat kā citos slāņveida savienojumos, starp slāņiem var novietot dažādu vielu molekulas, ko sauc par "viesmolekulām". Grafīts ir “saimnieka” matrica, kur mēs piegādājam “viesus”. Kad viesi iekļūst saimnieka režģī, slāņi dabiski atdalās. Tas ir tieši tas, kas nepieciešams: interkalācijas process sadala grafītu. Interkalēti savienojumi ir ļoti labi prekursori grafēna ražošanai - jums vienkārši ir jānoņem no turienes "viesi" un jānovērš slāņu atkārtota sabrukšana grafītā. Svarīgs solis šajā tehnoloģijā ir koloidālu dispersiju iegūšanas process, ko var pārvērst grafēna materiālos. Mūsu institūtā mēs atbalstām tieši šo pieeju. Mūsuprāt, šis ir progresīvākais virziens, no kura ir sagaidāmi ļoti labi rezultāti, jo izolētus slāņus visvienkāršāk un efektīvāk var iegūt no dažāda veida interkalētiem savienojumiem.

Grafēna struktūra ir līdzīga šūnveida struktūrai. Un pēdējā laikā tā ir kļuvusi par ļoti “saldu” tēmu

Ir vēl viena metode, ko sauc par kopējo ķīmisko sintēzi. Tas slēpjas faktā, ka no vienkāršām organiskām molekulām tiek samontētas nepieciešamās “šūnveida šūnas”. Organiskajai ķīmijai ir ļoti attīstīts sintētiskais aparāts, kas ļauj iegūt ļoti dažādas molekulas. Tāpēc viņi mēģina iegūt grafēna struktūras ar ķīmisko sintēzi. Līdz šim ir bijis iespējams izveidot grafēna loksni, kas sastāv no aptuveni divsimt oglekļa atomu.

Tiek izstrādātas arī citas pieejas grafēna sintēzei. Neskatoties uz daudzajām problēmām, zinātne šajā virzienā veiksmīgi virzās uz priekšu. Pastāv liela pārliecība, ka esošie šķēršļi tiks pārvarēti, un grafēns ienesīs jaunu pavērsienu augsto tehnoloģiju attīstībā.

Ķīmijas zinātņu kandidāte Tatjana Zimina.

2010. gada Nobela prēmija fizikā tika piešķirta par pētījumiem par grafēnu — divdimensiju materiālu, kam piemīt neparastas un vienlaikus ļoti noderīgas īpašības. Tās atklāšana sola ne tikai jaunas tehnoloģijas, bet arī fundamentālās fizikas attīstību, kas var radīt jaunas zināšanas par matērijas struktūru. Šī gada Nobela prēmijas laureāti fizikā ir Mančestras Universitātes (Lielbritānija) profesori Andrē Geims un Konstantīns Novoselovs, Maskavas Fizikas un tehnoloģiju institūta absolventi.

Oglekļa atomi grafēnā veido divdimensiju kristālu ar sešstūra formas šūnām.

2010. gada Nobela prēmijas laureāts fizikā Andrē Geims (dzimis 1958. gadā) ir Mančestras Universitātes (Apvienotā Karaliste) profesors. Beidzis Maskavas Fizikas un tehnoloģijas institūtu, aizstāvējis doktora disertāciju Cietvielu fizikas institūtā (Černogolo

2010. gada Nobela prēmijas laureāts fizikā Konstantīns Novoselovs (dzimis 1974. gadā) ir Mančestras Universitātes (Lielbritānija) profesors un Maskavas Fizikas un tehnoloģiju institūta absolvents. Strādājis Mikroelektronikas tehnoloģiju problēmu institūtā un īpaši

Grafēns ir viena no alotropajām oglekļa formām. Vispirms to ieguva, pakāpeniski nolobot plānus grafīta slāņus. Grafēns sarullējas, veidojot nanocauruli vai fullerēnu.

Viens no iespējamiem grafēna pielietojumiem ir jaunas tehnoloģijas radīšana, pamatojoties uz to, DNS ķīmiskās struktūras (sekvences) atšifrēšanai. Zinātnieki no Kavli nanozinātņu institūta Nīderlandē profesora Deka vadībā

Grafēns, materiāls, kura biezums ir tikai viens atoms, ir veidots no oglekļa atomu tīkla, kas līdzīgi šūnām ir sakārtots sešstūra formas šūnās. Šī ir vēl viena alotropiskā oglekļa forma kopā ar grafītu, dimantu, nanocaurulēm un fullerēnu. Materiālam ir lieliska elektrovadītspēja, laba siltumvadītspēja, augsta izturība un gandrīz pilnībā caurspīdīgs.

Ideja par grafēna ražošanu “gulēja” grafīta kristāla režģī, kas ir slāņaina struktūra, ko veido brīvi saistīti oglekļa atomu slāņi. Tas ir, grafītu faktiski var attēlot kā grafēna (divdimensiju kristālu) slāņu kopumu, kas savienoti viens ar otru.

Grafīts ir slāņains materiāls. Tieši šo īpašību Nobela prēmijas laureāti izmantoja grafēna ražošanai, neskatoties uz to, ka teorija paredzēja (un iepriekšējie eksperimenti apstiprināja), ka divdimensiju oglekļa materiāls nevar pastāvēt istabas temperatūrā - tas pārveidosies citās alotropās oglekļa formās, piemēram, , salokiet nanocaurulēs vai sfēriskos fullerēnus.

Starptautiska zinātnieku komanda Andrē Geima vadībā, kurā bija pētnieki no Mančestras Universitātes (Apvienotā Karaliste) un Mikroelektronikas tehnoloģiju un ļoti tīru materiālu institūta (Černogolovka, Krievija), ieguva grafēnu, vienkārši nolobot grafīta slāņus. Lai to izdarītu, parastā lente tika pielīmēta pie grafīta kristāla un pēc tam noņemta: uz lentes palika plānākās plēves, tostarp viena slāņa. (Kā gan var neatcerēties: “Viss ģeniālais ir vienkāršs”!) Vēlāk ar šo tehniku ​​tika iegūti arī citi divdimensiju materiāli, tostarp augstas temperatūras supravadītājs Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Tagad šo metodi sauc par “mikromehānisko pīlingu”, tā ļauj iegūt augstākās kvalitātes grafēna paraugus līdz 100 mikroniem.

Vēl viena lieliska nākotnes Nobela prēmijas laureātu ideja bija grafēna nogulsnēšana uz silīcija oksīda (SiO 2) substrāta. Pateicoties šai procedūrai, grafēnu kļuva iespējams novērot zem mikroskopa (no optiskā līdz atoma spēkam) un pētīt.

Pirmie eksperimenti ar jauno materiālu parādīja, ka zinātnieku rokās nav tikai vēl viens oglekļa veids, bet gan jauna materiālu klase ar īpašībām, kuras ne vienmēr var aprakstīt no klasiskās cietvielu fizikas teorijas viedokļa.

Iegūtajam divdimensiju materiālam, kas ir pusvadītājs, vadītspēja ir kā vienam no labākajiem metāla vadītājiem - vara. Tās elektroniem ir ļoti augsta mobilitāte, kas ir saistīts ar kristāla struktūras īpatnībām. Acīmredzot šī grafēna kvalitāte kopā ar tā nanometru biezumu padara to par kandidātmateriālu, kas varētu aizstāt silīciju elektronikā, tostarp nākotnes ātrgaitas datoros. Pētnieki uzskata, ka jauna grafēna nanoelektronikas klase ar bāzes tranzistora biezumu ne vairāk kā 10 nm (uz grafēna jau ir iegūts lauka efekta tranzistors) ir tepat aiz stūra.

Fiziķi tagad strādā, lai vēl vairāk palielinātu elektronu mobilitāti grafēnā. Aprēķini liecina, ka tajā esošo lādiņnesēju mobilitātes (un līdz ar to arī vadītspējas) ierobežojums ir saistīts ar lādētu piemaisījumu klātbūtni SiO 2 substrātā. Ja iemācīsimies iegūt “brīvi piekārtās” grafēna plēves, tad elektronu kustīgumu var palielināt par divām kārtām - līdz 2 × 10 6 cm 2 /V. Ar. Šādi eksperimenti jau notiek, turklāt diezgan veiksmīgi. Tiesa, ideāla divdimensiju plēve brīvā stāvoklī ir nestabila, bet, ja tā ir deformēta telpā (tas ir, tā nav ideāli plakana, bet, piemēram, viļņota), tad stabilitāte tiek nodrošināta. No šādas plēves iespējams izgatavot, piemēram, nanoelektromehānisko sistēmu - ļoti jutīgu gāzes sensoru, kas spēj reaģēt pat uz vienu molekulu, kas atrodama uz tās virsmas.

Citi iespējamie grafēna pielietojumi: superkondensatoru elektrodos, saules baterijās, dažādu kompozītmateriālu, tostarp īpaši vieglu un augstas stiprības (aviācijai, kosmosa kuģiem utt.), ar noteiktu vadītspēju radīšanai. Pēdējais var ievērojami atšķirties. Piemēram, ir sintezēts materiāls grafāns, kas atšķirībā no grafēna ir izolators (skat. “Zinātne un dzīve” Nr.). To ieguva, pievienojot ūdeņraža atomu katram izejmateriāla oglekļa atomam. Ir svarīgi, lai visas izejmateriāla - grafēna - īpašības varētu atjaunot, vienkārši karsējot (atkausējot) grafānu. Tajā pašā laikā plastmasai pievienotais grafēns (izolators) pārvērš to par vadītāju.

Gandrīz pilnīga grafēna caurspīdīgums liecina par tā izmantošanu skārienekrānos, un, ja atceramies tā “superplānumu”, tad par tā izmantošanas perspektīvām nākotnes elastīgos datoros (kurus var sarullēt kā avīzi), pulksteņu rokassprādzēs un mīkstajos datoros. gaismas paneļi ir skaidri.

Bet jebkuram materiāla pielietojumam ir nepieciešama tā rūpnieciska ražošana, kam laboratorijas pētījumos izmantotā mikromehāniskās pīlinga metode nav piemērota. Tāpēc šobrīd pasaulē tiek izstrādāts milzīgs skaits citu veidu, kā to iegūt. Jau ir ierosinātas ķīmiskās metodes grafēna ražošanai no grafīta mikrokristāliem. Viens no tiem, piemēram, ražo polimēra matricā iestrādātu grafēnu. Aprakstīta arī tvaiku nogulsnēšanās un augšana augstā spiedienā un temperatūrā uz silīcija karbīda substrātiem. Pēdējā gadījumā, kas ir vispiemērotākais rūpnieciskai ražošanai, substrāta virsmas slāņa termiskās sadalīšanās laikā veidojas plēve ar grafēna īpašībām.

Jauna materiāla vērtība fizikālās pētniecības attīstībai ir fantastiski liela. Kā Sergejs Morozovs (Krievijas Zinātņu akadēmijas Mikroelektronikas tehnoloģiju un ļoti tīru materiālu problēmu institūts), Andre Geims un Konstantīns Novoselovs norāda savā rakstā, kas publicēts 2008. gadā žurnālā Uspekhi Fizicheskikh Nauk, "faktiski grafēns paver jauna zinātniskā paradigma - “relativistiskā” fizikas cietais stāvoklis, kurā kvantu relatīvistiskas parādības (dažas no kurām nav realizējamas pat augstas enerģijas fizikā) tagad var pētīt parastos laboratorijas apstākļos... Pirmo reizi cietā stāvoklī eksperimentu, ir iespējams izpētīt visas kvantu elektrodinamikas nianses un daudzveidību. Tas ir, mēs runājam par to, ka daudzas parādības, kuru izpētei bija nepieciešams uzbūvēt milzīgus daļiņu paātrinātājus, tagad var izpētīt, bruņojoties ar daudz vienkāršāku instrumentu - plānāko materiālu pasaulē.

Ekspertu komentārs

Mēs domājām par lauka efekta tranzistoru...

Redaktori lūdza savu kolēģi un līdzautoru komentēt Nobela prēmijas laureātu Andrē Geima un Konstantīna Novoselova darba rezultātus. Krievijas Zinātņu akadēmijas (Černogolovkas) Mikroelektronikas un ļoti tīru materiālu tehnoloģiju problēmu institūta laboratorijas vadītājs Sergejs Morozovs atbild uz “Zinātne un dzīve” korespondentes Tatjanas Ziminas jautājumiem.

Kā radās ideja iegūt divdimensiju oglekļa materiālu? Saistībā ar ko? Vai jūs gaidījāt kādas neparastas īpašības no šīs oglekļa formas?

Sākotnēji mūsu mērķis nebija izgatavot no pusmetāla divdimensiju materiālu, mēs mēģinājām izgatavot lauka tranzistoru. Metāli, pat viena atoma biezi, tam nav piemēroti – tajos ir pārāk daudz brīvo elektronu. Vispirms no grafīta kristāla ieguvām saskaitāmu skaitu atomu plakņu, pēc tam sākām veidot plānākas un plānākas plāksnes, līdz ieguvām monatomisku slāni, tas ir, grafēnu.

Teorētiķi ir apsvēruši grafēnu jau ilgu laiku, kopš divdesmitā gadsimta vidus. Viņi arī iepazīstināja ar pašu divdimensiju oglekļa materiāla nosaukumu. Tieši grafēns kļuva par sākumpunktu teorētiķiem (ilgi pirms tā eksperimentālās ražošanas), lai aprēķinātu citu oglekļa formu - grafīta, nanocauruļu, fullerēnu - īpašības. Tas ir arī teorētiski vislabāk aprakstītais. Protams, dažus tagad eksperimentāli atklātos efektus teorētiķi vienkārši neuzskatīja. Elektroni grafēnā uzvedas kā relativistiskas daļiņas. Bet neviens nekad nebija domājis izpētīt, kā Hola efekts izskatītos relatīvistisko daļiņu gadījumā. Mēs atklājām jauna veida kvantu Hola efektu, kas bija viens no pirmajiem skaidrajiem apstiprinājumiem elektroniskās apakšsistēmas unikalitātei grafēnā. To pašu var teikt par grafēnam raksturīgo Kleina paradoksu, kas pazīstams no augstas enerģijas fizikas. Tradicionālajos pusvadītājos vai metālos elektroni var iziet cauri potenciālajiem šķēršļiem, taču ar varbūtību, kas ir ievērojami mazāka par vienu. Grafēnā elektroni (tāpat kā relativistiskās daļiņas) bez atstarošanas iekļūst pat caur bezgalīgi augstu potenciālu barjerām.

Kāpēc tika uzskatīts, ka divdimensiju oglekļa materiāls (grafēns) būs nestabils istabas temperatūrā? Un kā toreiz izdevās to iegūt?

Agrīnie teorētiķu darbi, kas parādīja divdimensiju materiālu nestabilitāti, attiecās uz bezgalīgu ideālu divdimensiju sistēmu. Vēlāk darbs parādīja, ka divdimensiju sistēmā liela attāluma kārtība (kas ir raksturīga kristāliskajiem ķermeņiem - Red.) joprojām var pastāvēt ierobežotā temperatūrā (istabas temperatūra kristālam ir diezgan zema temperatūra). Īsts grafēns suspendētā stāvoklī acīmredzot nav ideāli līdzens, tas ir nedaudz viļņains - kāpumu augstums tajā ir aptuveni nanometra lielums. Šie "viļņi" nav redzami elektronu mikroskopā, taču tiem ir arī citi apstiprinājumi.

Grafēns ir pusvadītājs, ja pareizi saprotu. Bet šur tur atrodu definīciju – pusmetāls. Kurai materiālu klasei tas pieder?

Pusvadītājiem ir noteikta platuma joslas sprauga. Grafēnam tas ir nulle. Tātad to var saukt par nulles joslas spraugas pusvadītāju vai nulles pārklāšanās pusmetālu. Tas ir, tas ieņem starpstāvokli starp pusvadītājiem un pusmetāliem.

Šur tur populārajā literatūrā ir minēti citi divdimensiju materiāli. Vai jūsu grupa ir mēģinājusi iegūt kādu no šiem?

Burtiski gadu pēc grafēna iegūšanas mēs ieguvām divdimensiju materiālus no citiem slāņainiem kristāliem. Tie ir, piemēram, bora nitrīds, daži dihalkogenīdi un augstas temperatūras supravadītājs Bi-Sr-Ca-Cu-O. Tie neatkārtoja grafēna īpašības - daži no tiem parasti bija izolatori, citiem bija ļoti zema vadītspēja. Daudzas pētniecības grupas visā pasaulē pēta divdimensiju materiālus. Pašlaik mēs izmantojam bora nitrīdu kā grafēna struktūru substrātu. Izrādījās, ka tas radikāli uzlabo grafēna īpašības. Turklāt, ja mēs runājam par grafēna izmantošanu kompozītmateriālu radīšanai, bora nitrīds ir viens no tā galvenajiem konkurentiem.

- Kuras esošās grafēna ražošanas metodes ir visdaudzsološākās?

Manuprāt, tagad ir divas šādas galvenās metodes. Pirmais ir dažu retzemju metālu, kā arī vara un niķeļa plēvju augšana uz virsmas. Pēc tam grafēns jāpārnes uz citiem substrātiem, un viņi jau ir iemācījušies to izdarīt. Šī tehnoloģija nonāk komerciālās attīstības stadijā.

Vēl viena metode ir audzēšana uz silīcija karbīda. Bet būtu jauki iemācīties audzēt grafēnu uz silīcija, uz kura ir būvēta visa mūsdienu elektronika. Tad grafēna ierīču attīstība noritētu ar lēcieniem un robežām, jo ​​grafēna elektronika dabiski paplašinātu tradicionālās mikroelektronikas funkcionalitāti.