Nagroda Nobla za odkrycie agrafenu. Jak „fizycy-śmieci” z Rosji otrzymali Nagrodę Nobla

W Sztokholmie ogłoszono nazwiska laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2010. Byli to profesor Andriej Geim i profesor Konstantin Nowosełow. Obydwaj laureaci, pracujący na Brytyjskim Uniwersytecie w Manchesterze, pochodzą z Rosji. 52-letni Andrey Geim jest obywatelem Holandii, a 36-letni Konstantin Nowoselow ma obywatelstwo rosyjskie i brytyjskie.

Najbardziej prestiżowa na świecie nagroda naukowa o wartości około 1,5 miliona dolarów została w tym roku przyznana naukowcom za odkrycie grafenu – ultracienkiego i niezwykle wytrzymałego materiału, jakim jest warstwa węgla o grubości jednego atomu.

Redaktor naukowy magazynu Around the World Aleksander Siergiejew opowiada w Radiu Liberty o trudnościach, jakie pojawiły się przy odkryciu grafenu i jakie jest praktyczne zastosowanie tego materiału:

Niezwykły jest sam fakt, że naukowcom udało się uzyskać grafen. Teoretycznie powstanie grafenu przewidywano pół wieku przed jego syntezą. W szkole wszyscy studiowali strukturę grafitu - to zwykły ołówek. Atom węgla tworzy cienkie warstwy, które wielokrotnie nakładają się jedna na drugą. Każda warstwa składa się z sześciokątnych komórek, które pasują do siebie jak plaster miodu.

Problem polegał na oddzieleniu jednej warstwy od górnej i dolnej. Dla pojedynczej warstwy tego dwuwymiarowego kryształu, zwanego tak dlatego, że nie ma trzeciego wymiaru, przewidziano szereg różnych interesujących właściwości fizycznych. Przeprowadzono wiele eksperymentów. Nie było jednak możliwe oddzielenie jednej warstwy od wszystkich pozostałych przy stabilnym wyniku.

Andrey Geim i Konstantin Novoselov wymyślili sposób, w jaki mogli wybrać tę warstwę, a później upewnić się, że to naprawdę była jedna. Naukowcy byli następnie w stanie zmierzyć jego właściwości fizyczne i sprawdzić, czy przewidywania teoretyczne były mniej więcej prawidłowe. Ten eksperyment jest bardzo prosty: naukowcy wzięli zwykły ołówek, kawałek grafitu. Za pomocą taśmy klejącej usunęli z niego warstwę grafitu, a następnie zaczęli ją odklejać. Gdy pozostały 1-2 warstwy, grafit przenoszono na podłoże krzemowe.

Dlaczego wszystkie poprzednie eksperymenty zakończyły się niepowodzeniem? Ponieważ (i teoretycznie to przewidywano) warstwa grafenu, dwuwymiarowego kryształu węgla, jest niestabilna na skręcanie. Gdy tylko znajdzie się w stanie wolnym, natychmiast zacznie się zgniatać. Pojawiła się nawet opinia, że ​​grafenu nie da się wyizolować. Prace naukowców zakończono w 2004 roku, a w 2009 roku uzyskano już kawałek grafenu. Oznacza to, że arkusz grafenu ma prawie centymetr wielkości. A teraz mówimy o dziesiątkach centymetrów.

- Po co w ogóle ten grafen jest potrzebny?

Cała elektronika zmierza obecnie w kierunku zmniejszania rozmiarów elementów – tranzystorów, elektrod itp. Im mniejsze elementy wewnątrz procesora, tym więcej elementów można w nim umieścić i tym mocniejszy procesor można zmontować. W rezultacie będzie wykonywał bardziej złożone operacje logiczne. Co może być cieńszego niż jedna warstwa atomowa? Grafen ma tę właściwość, że jest cienki.

Ponadto przewodzi prąd. I - prawie przezroczysty. Jednocześnie jest dość mocny: jest jednym z najsilniejszych materiałów na warstwę atomową. Praktycznie nie przepuszcza przez siebie żadnych innych substancji. Nawet gazowy hel nie jest w stanie przeniknąć grafenu, dlatego jest to całkowicie niezawodna powłoka. Można go stosować np. w ekranach dotykowych, gdyż przezroczysta elektroda nie zasłania obrazu. Można spróbować zastosować go w elektronice. Teraz próbują opracować tranzystory na bazie grafenów. To prawda, że ​​\u200b\u200btutaj są trudności. Grafen ma anomalne właściwości, które utrudniają jego zastosowanie w tranzystorach. Ale kiedy nauczyliśmy się, jak uzyskać warstwy atomowe, są to prawdopodobnie już przeszkody do pokonania. To zasadniczo nowy materiał. Nigdy wcześniej nie było czegoś takiego. Najcieńsza monowarstwa przewodnika znajdująca zastosowanie w technice i elektronice.

Nowi laureaci Nagrody Nobla mają dość złożoną biografię. Jeden z nich jest obywatelem Holandii, drugi posiada dwa paszporty: brytyjski i rosyjski. O ile nam wiadomo, pracowali w ośrodku badawczym w Manchesterze w Anglii. Czy nauka staje się międzynarodowa, czy też smutnym losem rosyjskich naukowców jest dokonywanie wielkich odkryć tylko podczas podróży zagranicznych?

Aby podjąć poważną pracę naukową, potrzebujesz nie tylko bazy materialnej i technicznej, ale także po prostu spokoju ducha. Naukowiec nie powinien być mylony z żadnymi pytaniami. Andrey Geim otrzymał 10 lat temu Nagrodę Ig Nobla za swoje eksperymenty z lewitacją magnetyczną żab. Nagroda Ig Nobla to komiczna antynagroda za bezsensowną pracę. Naukowiec potrzebuje pewnej swobody w swoim działaniu. Wtedy rodzą się pomysły. Dziś lewitowałem żaby, a jutro dostaję grafeny.

Jeśli dana osoba ma takie warunki, pracuje wydajniej. Przecież obaj obecni laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki studiowali w MIPT (Moskiewski Instytut Fizyki i Technologii - RS). I bardzo szybko wyjechali do Holandii, do Wielkiej Brytanii, bo tam atmosfera pracy bardziej sprzyja pozyskiwaniu środków naukowych niezbędnych do prowadzenia badań. Oderwali folie węglowe taśmą, ale trzeba było je zmierzyć mikroskopem sił atomowych. Więc musiał być ten mikroskop. W Rosji oczywiście istnieją, ale dostęp do nich jest znacznie trudniejszy.

Jeśli powiem, że Rosja ma dobre wykształcenie podstawowe, które pozwala jej na wychowanie laureatów Nagrody Nobla, ale jednocześnie nie ma poważnej bazy naukowej i zaawansowanej technologii do eksperymentów, czy będzie to prawdą?

Jak w przypadku każdego uogólnienia, i tutaj jest pewne naciągnięcie. Nasza edukacja nie jest już tak dobra i gładka, bo w wielu miejscach niszczone są szkoły naukowe. Duża przerwa w pracy w latach 90-tych dała swoje efekty. W Rosji jest kilka szkół, w których wszystko idzie jeszcze bardzo dobrze, są jednak problemy ze sprzętem i prowadzeniem poważnych, kosztownych badań. Ten sprzęt gdzieś ląduje: od czasu do czasu robione są dość poważne zakupy, na przykład do Instytutu Kurczatowa. Ale jak skutecznie jest stosowany, jest duże pytanie. Dlatego w niektórych miejscach istnieje silna szkoła naukowa, a w innych - fundusze na technologię. Wymiana ich między sobą jest dość trudna ze względu na prestiż i biurokrację. W Rosji badania wysokiej klasy też są możliwe, ale znacznie trudniejsze do przeprowadzenia – panuje tu trudniejsze środowisko pracy.

Badania naukowe mają charakter wieloaspektowy. Ale czy są pewne obszary, które Komitet Noblowski określa jako przełomowe? Za co łatwiej dostać Nagrodę Nobla? A może nie ma takich wskazówek?

Przyjrzałem się liście laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z ostatnich 20 lat. Nie ma wyraźnego trendu. Nagród w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych i podstawowych oddziaływań fizycznych jest prawdopodobnie sporo. To zrozumiałe – wykonują tam całkiem ciekawą pracę. Ale tutaj musimy wziąć pod uwagę ważny punkt. Często mówi się, że aby zdobyć Nagrodę Nobla, nie wystarczy dokonać przełomowej pracy. Musimy jeszcze żyć do czasu, kiedy zostanie doceniona. Dlatego też Nagrodę Nobla otrzymują zazwyczaj osoby w bardzo zaawansowanym wieku. Z tego punktu widzenia tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki stanowi wyjątek od reguły. Nowosełow ma teraz 36 lat. Takiego przypadku wśród nagród z fizyki przez ostatnie 20 lat nie było i moim zdaniem w ogóle nie było! W ciągu ostatnich 8 lat żaden naukowiec poniżej 50. roku życia nie otrzymał Nagrody Nobla, a wielu otrzymało ją w wieku 70, a nawet 80 lat za pracę wykonaną kilkadziesiąt lat temu.

Obecna Nagroda Nobla została przyznana z naruszeniem zasad. Być może Komitet Noblowski uznał, że nagroda staje się gerontologiczna i należy obniżyć wiek jej otrzymania. Ostatni raz nagrodę z fizyki przyznano „młodym” osobom w 2001 roku. Laureaci mieli od 40 do 50 lat.

Teraz najwyraźniej skupiono się na rzeczywistych pracach eksperymentalnych. Tak więc, choć Nagroda Nobla nie obejmuje astronomii, w ciągu ostatnich 10 lat przyznano dwie bardzo ważne nagrody w dziedzinie astrofizyki. Nagrody przyznano w fizyce wysokich energii i fizyce cząstek elementarnych, fizyce ciała stałego, fizyce materii skondensowanej – czyli ciała stałego, cieczy i innych stanów, w których atomy są blisko siebie. Prawie wszystkie te prace są w ten czy inny sposób powiązane z fizyką kwantową.

- Dlaczego właśnie teoria kwantowa? Czy ma to związek z jakimiś osobistymi preferencjami członków Komitetu Noblowskiego? A może to naprawdę najbliższa przyszłość naukowa?

Powód jest bardzo prosty. W rzeczywistości cała dzisiejsza fizyka, z wyjątkiem teorii grawitacji, jest kwantowa. Prawie wszystko, co nowe dzieje się w dziedzinie fizyki, z wyjątkiem pewnych pobocznych kierunków, ulepszeń i przełomów, które miały miejsce w przeszłości, opiera się na fizyce kwantowej. Tylko grawitacja nie uległa jeszcze tej „kwantyzacji”. A wszystko inne, co dotyczy podstaw fizyki, to teoria kwantowa i kwantowa teoria materii.

Kim on jest? Nowosełow Konstantin Siergiejewicz!

Biografia

Słynny naukowiec urodził się w mieście Niżny Tagil w obwodzie swierdłowskim 23 sierpnia 1974 r. w rodzinie inżyniera i nauczyciela języka angielskiego w szkole nr 39, której założycielem i dyrektorem był niegdyś jego dziadek Wiktor Konstantinowicz Nowosełow.

Już w szóstej klasie Konstantin ujawnia niezwykłe zdolności i zajmuje pierwsze miejsce w regionalnej olimpiadzie fizycznej, a nieco później, na Olimpiadzie Ogólnounijnej, powtarza swój sukces, wchodząc do pierwszej dziesiątki. W 1991 roku ukończył dodatkową Korespondencyjną Szkołę Fizyki i Technologii i w tym samym roku został studentem Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii. Studiuje na specjalności „nanotechnologia” na Wydziale Elektroniki Fizycznej i Kwantowej, którą ukończył z wyróżnieniem, po czym zostaje zatrudniony w Instytucie Problemów Technologii Mikroelektroniki Rosyjskiej Akademii Nauk (Instytut Problemów Mikroelektroniki Technologii Rosyjskiej Akademii Nauk) w Czernogołowce. Tam ukończył studia podyplomowe pod kierunkiem Jurija Dubrowskiego.

Za granicą

W 1999 r. Konstantin Siergiejewicz Nowosełow, fizyk o już ugruntowanej reputacji, przeprowadził się do Holandii. Tam, na Uniwersytecie w Nijmegen, współpracuje z Andrei Geimem. Od 2001 roku naukowcy współpracują na Uniwersytecie w Manchesterze. W 2004 roku uzyskał stopień doktora filozofii (promotor Jan-Kees Maan).

W tej chwili Konstantin Siergiejewicz Nowosełow jest profesorem Towarzystwa Królewskiego oraz profesorem nauk fizycznych i matematycznych na Uniwersytecie w Manchesterze i ma podwójne obywatelstwo (Rosja i Wielka Brytania). Obecnie mieszka w Manchesterze.

Badania

Z czego słynie Konstantin Siergiejewicz Nowosełow? Według agencji analitycznej Thomson Reuters rosyjsko-brytyjski fizyk jest jednym z najczęściej cytowanych naukowców. Spod jego pióra wyszło 190 artykułów naukowych. Jednak jego najważniejszym badaniem jest oczywiście grafen. Wielu słyszało to słowo, które wydaje się proste i znajome. Technologia jest naprawdę lakoniczna i elegancka, jak wszystko genialne. Dalsze badania mogą wprowadzić ludzkość w erę ultraszybkich i ultracienkich urządzeń mobilnych i komputerowych, samochodów elektrycznych oraz wytrzymałych, ale bardzo lekkich konstrukcji.

Nagrody

Kiedy Konstantin Siergiejewicz Nowosełow rozpoczął pracę na Uniwersytecie w Manchesterze, jego przełożonym został jego starszy kolega z Rosji, który już od dawna zajmował się badaniami w tej dziedzinie i udało mu się odtworzyć mechanizm adhezji łap gekona, i na jej podstawie stworzył taśmę klejącą, którą fizycy wykorzystali później w pracy z grafenem. Wcześniej Geimowi pomagał pewien chiński student, ale według samego fizyka prace zaczęły się rozwijać dopiero po tym, jak Konstantin Siergiejewicz Nowosełow zabrał się do pracy. Nagroda Nobla została im przyznana w październiku 2010 roku. Nowosełow jest obecnie najmłodszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki (w ciągu ostatnich 37 lat), a ponadto jest obecnie jedynym naukowcem wśród laureatów Nagrody Nobla urodzonych po 1970 roku.

W tym samym 2010 roku Nowoselow otrzymał tytuł Komandora Orderu Lwa Niderlandzkiego za znaczący wkład w naukę w Holandii, a nieco później, w 2011 roku, dekretem królowej Elżbiety II uczynił go kawalerem rycerskim już od jego wkład w naukę w Wielkiej Brytanii. Ceremonia pasowania na rycerza odbyła się zgodnie z oczekiwaniami nieco później, wiosną 2012 roku, w Pałacu Buckingham. Na jej czele stała córka królowej, księżna Anna.

Trzeba powiedzieć, że Konstantin Siergiejewicz Nowosełow, którego działalność naukowa i społeczna jest bardzo bogata, otrzymał kolejną prestiżową nagrodę za badania nad grafenem, stając się laureatem Nagrody Eurofizyki w 2008 roku. Jest przyznawana co dwa lata, a wśród jej laureatów znalazło się zaledwie trzynastu laureatów Nagrody Nobla. Nagroda składa się z nagrody pieniężnej i odpowiedniego certyfikatu. Otrzymał także Nagrodę Kurtiego, ale nie za grafen, ale za listę osiągnięć w pracy z niskimi temperaturami i polami magnetycznymi.

O rodzinie i życiu

Konstantin Nowoselow jest szczęśliwie żonaty ze swoją żoną Iriną. Choć ona także jest Rosjanką, naukowcy spotkali się za granicą, w Holandii. Irina, pochodząca z Wołogdy, zajmuje się badaniami z zakresu mikrobiologii (pracę doktorską obroniła w Petersburgu). Para ma dwie córki, bliźniaki Sophię i Vikę, które urodziły się w 2009 roku.

Konstantin Siergiejewicz, jak sam mówi, nie jest typem ojca, który tygodniami siedzi w laboratorium i tęskni za dzieciństwem własnych dzieci. Dla niego wynalezienie najmniejszego tranzystora na świecie i nauczenie córki liczenia do dwudziestu siedmiu to coś na równi. „Nikt wcześniej tego nie zrobił” – mówi.

Z kolei rodzice nigdy nie próbowali ograniczać zainteresowań syna. Zawsze byli pewni, że ich syn jest bardzo utalentowany i, jak mówi sam fizyk, nie byli zaskoczeni, gdy otrzymał Nagrodę Nobla.

W wywiadzie dla magazynu Esquire przyznał, że marzy o nauce gry na pianinie. Studiuje, choć jak sam przyznaje, wyniki są nadal mierne.

O ZSRR

Konstantin Siergiejewicz urodził się w ZSRR i otrzymał doskonałe wykształcenie. Sam przyznaje, że tak głęboką wiedzę można zdobyć w niewielu miejscach. Nie planuje jednak powrotu do Rosji. Być może właśnie z tego powodu niektórzy dziennikarze mimowolnie zarzucają mu brak patriotyzmu. Na to naukowiec odpowiada, że ​​nie chodzi o pieniądze, po prostu w Wielkiej Brytanii jest spokojniej pracować, bo nikt nie wtrąca się w twoje sprawy.

Novoselov lekko podchodzi do życia i nie rozpamiętuje niepowodzeń – to jedna z jego podstawowych zasad. Jeśli w relacjach z ludźmi pojawiają się trudności, stara się nie doprowadzić do rozstania, ale jeśli jest to nieuniknione, ostatnie słowo pozostawia drugiej osobie. Słynny fizyk ma wiele typowych problemów życiowych, na przykład byłby skłonny wydać każde pieniądze, żeby mieć trochę wolnego czasu.

Ale nie dzieli swojego życia na pracę i odpoczynek, być może jest to klucz do produktywności naukowca. W domu myśli o fizyce, a w pracy po prostu relaksuje duszę.

Co to jest grafen

Pomimo oczywiście wszystkich osiągnięć w dziedzinie fizyki, głównym dziełem Nowosełowa był i nadal pozostaje grafen. Struktura ta, którą nasi rodacy jako pierwsi uzyskali w warunkach laboratoryjnych, jest dwuwymiarową „siecią” atomów węgla o grubości zaledwie jednego atomu. Sam Novoselov twierdzi, że technologia nie jest skomplikowana i każdy może stworzyć grafen, niemal za pomocą improwizowanych środków. Mówi, że wystarczy kupić dobry grafit, chociaż można nawet używać ołówków i wydać trochę na płytki krzemowe i taśmę. To wszystko, zestaw do tworzenia grafenu jest gotowy! Tym samym materiał nie stanie się własnością wyłącznie dużych korporacji, Novoselov i Game dosłownie przekazali go całemu światu.

Niesamowite właściwości

Fizyka dziwią także właściwości elektroniczne tego materiału. Według niego grafen można zastosować w tranzystorach, co już próbują zrobić niektóre firmy, zastępując konwencjonalne części w urządzeniach mobilnych.

Według Novoselova grafen zrewolucjonizuje technologię. Integralną częścią każdego filmu science fiction są niesamowite gadżety, przezroczyste, cienkie, nietłukące i o dużej funkcjonalności. Jeśli grafen stopniowo zastąpi przestarzały krzem, w życiu pojawią się technologie z kina.

Co jeszcze jest niezwykłego w badaniach Nowosełowa i Geima? Już w pierwszych latach bardzo przydatne okazało się to, że niemal natychmiast migrowały one z laboratoriów na linie montażowe, a nawet więcej.

Technologie przyszłości

Gdzie obecnie wykorzystuje się grafen? Wydawać by się mogło, że tak niedawno odkryty materiał nie mógł być jeszcze szeroko rozpowszechniony i w pewnym stopniu jest to prawdą. Prawie wszystkie rozwiązania mają nadal charakter eksperymentalny i nie zostały wprowadzone do masowej produkcji. Jednak teraz próbują wykorzystać ten materiał dosłownie we wszystkich obszarach, co być może można nazwać prawdziwą „gorączką grafenową”.

Sam grafen, mimo niewielkiej wagi i niemal całkowitej przezroczystości (pochłania 2% przepuszczanego światła, czyli dokładnie tyle samo, co zwykłe szkło okienne), jest materiałem bardzo wytrzymałym. Ostatnie badania amerykańskich naukowców wykazały, że grafen dobrze miesza się z plastikiem. W rezultacie powstał super mocny materiał, który można wykorzystać we wszystkim, od mebli i telefonów komórkowych po rakietę.

Z grafenu powstały już prototypy akumulatorów do samochodów elektrycznych. Charakteryzują się dużą pojemnością i krótkim czasem ładowania. Być może w ten sposób rozwiąże się problem samochodów elektrycznych, a transport stanie się tani i przyjazny dla środowiska.

Grafen wykorzystuje się przy opracowywaniu nowych paneli dotykowych do telefonów. O ile klasyczne czujniki mogą pracować jedynie na płaskiej powierzchni, to grafen nie ma tej wady, gdyż można go w dowolny sposób wyginać. Ponadto wysoka przewodność elektryczna sprawi, że reakcja będzie minimalna.

W lotnictwie

Korpusy rakiet i samolotów wykonane z wykorzystaniem grafenu będą kilkukrotnie lżejsze, co znacznie obniży koszty paliwa. Loty staną się tak tanie, że każdego będzie stać na wyjazd na drugi koniec świata. Ale oprócz transportu pasażerskiego będzie to miało oczywiście wpływ również na ruch towarowy. Dostawy do odległych zakątków planety staną się znacznie lepsze, co oznacza, że ​​więcej ludzi będzie tam mieszkać i pracować.

MOSKWA, 5 października – RIA Nowosti. Nagroda Nobla z fizyki 2010 stała się świętem dla dwóch krajów jednocześnie, dla ojczyzny laureatów – Rosji i ich obecnego domu – Wielkiej Brytanii. Szwedzcy naukowcy przyznali najwyższą nagrodę naukową Andriejowi Geimowi i Konstantinowi Nowosełowowi za odkrycie dwuwymiarowej formy węgla – grafenu, co spowodowało, że rosyjscy naukowcy ubolewali nad drenażem mózgów, a brytyjscy mieli nadzieję na zachowanie finansowania nauki.

„Szkoda, że ​​Geim i Nowosełow dokonali swoich odkryć za granicą” – powiedział RIA Nowosti kierownik Katedry Fizyki Polimerów i Kryształów Uniwersytetu Moskiewskiego, akademik Rosyjskiej Akademii Nauk Aleksiej Chochłow.

„Rząd powinien wyciągnąć wnioski z decyzji Komitetu Nobla” – powiedział profesor Martin Rees, prezes Towarzystwa Królewskiego, komentując przyznanie Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Przypomniał, że wielu naukowców, także zagranicznych, pracujących w Wielkiej Brytanii, w przypadku ograniczenia środków finansowych może po prostu wyjechać do innych krajów.

Brytyjski rząd przedstawi plany poważnych cięć wydatków rządowych 20 października. Oczekuje się, że nauka i szkolnictwo wyższe będą jednymi z obszarów najbardziej dotkniętych cięciami.

Absolwenci MIPT, Geim i Novoselov, pracujący w Manchesterze, otrzymali nagrodę „za innowacyjne eksperymenty w badaniu dwuwymiarowego materiału grafenowego”. Podzielą się między sobą 10 milionami koron szwedzkich (około miliona euro). Ceremonia wręczenia nagrody odbędzie się w Sztokholmie 10 grudnia, w dzień śmierci założyciela fundacji, Alfreda Nobla.

Grafen stał się pierwszym w historii materiałem dwuwymiarowym, składającym się z pojedynczej warstwy atomów węgla połączonych strukturą wiązań chemicznych, przypominającą swoją geometrią strukturę plastra miodu. Przez długi czas uważano, że taka konstrukcja jest niemożliwa.

"Uważano, że takie dwuwymiarowe, jednowarstwowe kryształy nie mogą istnieć. Muszą stracić stabilność i zamienić się w coś innego, bo tak naprawdę jest to płaszczyzna bez grubości" - były szef laureatów, dyrektor Instytutu Problemów Technologii Mikroelektroniki i Materiałów Wysoce Czystych Rosyjskiej Akademii Nauk (IPTM) powiedział RIA Novosti) Wiaczesław Tulin.

Jednak „niemożliwy” materiał, jak się okazuje, ma wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne, które czynią go niezastąpionym w wielu dziedzinach. Grafen przewodzi prąd równie dobrze jak miedź; można go wykorzystać do tworzenia ekranów dotykowych, ogniw słonecznych i elastycznych urządzeń elektronicznych.

"To przyszła rewolucja w mikroelektronice. Jeśli teraz komputery będą gigahercowe, to będzie terahercowe i tak dalej. Tranzystory i wszystkie inne elementy obwodów elektronicznych będą tworzone na bazie grafenu" - Alexey Fomichev, profesor MIPT wydział elektroniki kwantowej, powiedział RIA Novosti.

Grafen znalazł już jeden obszar zastosowania: ogniwa fotowoltaiczne. "Wcześniej przy produkcji ogniw słonecznych jako przezroczystą elektrodę stosowano tlenki indu domieszkowane cyną. Okazało się jednak, że kilka warstw grafenu jest znacznie bardziej efektywnych" - powiedział Alexander Vul, kierownik laboratorium fizyki struktur klastrowych w Instytucie Fizyko-Technicznym Ioffe Rosyjskiej Akademii Nauk w Petersburgu.

Najpierw z fizyki i technologii

Andrei Geim i Konstantin Novoselov to pierwsi absolwenci Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii, którzy otrzymali Nagrodę Nobla: wcześniej założyciele i pracownicy MIPT - Piotr Kapitsa, Nikołaj Semenow, Lew Landau, Igor Tamm, Aleksander Prochorow, Nikołaj Basow , Witalij Ginzburg i Aleksiej Abrikosow. Geim ukończył Wydział Fizyki Ogólnej i Stosowanej (GPPF) w 1982 r., Novoselov – Wydział Elektroniki Fizycznej i Kwantowej (FFQE) w 1997 r. Obydwaj absolwenci otrzymali dyplomy z wyróżnieniem.

"To wspaniała wiadomość. Jesteśmy bardzo zadowoleni z decyzji Komitetu Noblowskiego. MIPT przesłał już gratulacje nowym laureatom Nagrody Nobla" - powiedział we wtorek RIA Novosti rektor MIPT Nikołaj Kudryawcew.

Według rektora pracownicy „wydobyli z archiwum swoje akta osobowe i nabrali przekonania, że ​​są to wybitni studenci”. W tym samym czasie Andrei Geim nie wstąpił do instytutu po raz pierwszy, pracując przez rok w fabryce, ale „wykazał się wytrwałością” i został studentem MIPT.

„Przez cały okres studiów w FOPF Geim otrzymywał od nauczycieli najwyższe oceny, a praca dyplomowa Geima została przez komisję dyplomową oceniona wyjątkowo wysoko” – powiedział kierownik MIPT.

Student 152. grupy Wydziału Elektroniki Fizycznej i Kwantowej Konstantin Nowosełow, jak zauważył Kudryavtsev, „chodził na zajęcia nieregularnie, ale wszystkie zadania zaliczył pomyślnie i na czas”.

"A recenzje nauczycieli Nowosiołowa są również najwyższe. Oznacza to, że był na tyle utalentowany, że w ogóle nie musiał chodzić na wszystkie zajęcia" - komentuje dokumenty archiwalne rektor MIPT.

Od Shnobla do Nobla

Kolega z gry, Konstantin Nowosełow, został najmłodszym laureatem Nagrody Nobla posiadającym obywatelstwo rosyjskie: 36-letni fizyk jest o sześć lat młodszy od swojego radzieckiego kolegi Nikołaja Basowa, który w wieku 42 lat otrzymał nagrodę w 1964 r. za pracę w dziedzinie elektroniki kwantowej, która doprowadziła do tworzenie emiterów i wzmacniaczy w oparciu o zasadę lasera-masera.

Najmłodszym laureatem Nagrody Nobla w historii był Lawrence Bragg, który w wieku 25 lat podzielił się nagrodą z fizyki ze swoim ojcem, Williamem Henrym Braggiem. Kolejne cztery miejsca na liście najmłodszych laureatów w historii zajmują także fizycy: Werner Heisenberg, Zongdao Li, Carl Anderson i Paul Dirac otrzymali nagrodę w wieku 31 lat.

Konstantin Nowosełow zapisze się jednak w historii nagrody jako pierwszy przedstawiciel pokolenia urodzonego w latach 70. XX wieku. Według strony internetowej nagrody na liście laureatów poprzedniej dekady znaleźli się fizyk Eric Cornell, biolodzy Carol Greider i Craig Mello, a także prezydent USA Barack Obama, który otrzymał Pokojową Nagrodę Nobla. Na liście laureatów nie ma nikogo młodszego niż 1961 rok poza Nowosełowem.

Od redaktora: poruszając temat modernizacji rosyjskiej gospodarki i rozwoju wysokich technologii w naszym kraju, stawiamy sobie zadanie nie tylko zwrócenia uwagi czytelników na niedociągnięcia, ale także opowiedzenia o pozytywnych przykładach. Co więcej, jest takich i całkiem sporo. W zeszłym tygodniu rozmawialiśmy o rozwoju ogniw paliwowych w Rosji, a dziś porozmawiamy o grafenie, za badanie właściwości, którego „nasi dawni ludzie” otrzymali niedawno Nagrodę Nobla. Okazuje się, że w Rosji, a dokładniej w Nowosybirsku, bardzo poważnie pracują nad tym materiałem.

Krzem, jako podstawa mikroelektroniki, mocno zyskał pozycję w przestrzeni high-tech i nie stało się to przez przypadek. Po pierwsze, stosunkowo łatwo jest nadać krzemowi pożądane właściwości. Po drugie, jest on znany nauce od dawna i szeroko badany. Trzecim powodem jest to, że w technologię krzemową zainwestowano naprawdę ogromne sumy pieniędzy i niewiele osób odważy się teraz postawić na nowy materiał. W końcu będzie to wymagało odbudowy ogromnego sektora przemysłowego. A raczej zbudować go niemal od zera.

Istnieją jednak inni pretendenci do przywództwa jako materiał półprzewodnikowy. Na przykład grafen, który stał się bardzo modny po przyznaniu Nagrody Nobla za zbadanie jego właściwości. Rzeczywiście istnieją powody, aby przejść na niego z krzemu, ponieważ grafen ma szereg znaczących zalet. Ale to, czy w końcu otrzymamy „elektronikę na grafenie”, nie jest jeszcze jasne, ponieważ obok zalet istnieją również wady.

Aby porozmawiać o perspektywach grafenu w mikroelektronice i jego unikalnych właściwościach, spotkaliśmy się w Nowosybirsku z głównym badaczem Instytutu Chemii Nieorganicznej im. A.V. Nikolaev SB RAS, doktor nauk chemicznych, profesor Vladimir Fedorov.

Alla Arshinova: Władimir Efimowicz, jakie jest obecne miejsce krzemu w mikroelektronice?

Władimir Fiodorow: Krzem jest stosowany w przemyśle od bardzo dawna jako główny materiał półprzewodnikowy. Faktem jest, że jest łatwo domieszkowany, to znaczy można do niego dodać atomy różnych pierwiastków, które specyficznie zmieniają właściwości fizyczne i chemiczne. Ta modyfikacja krzemu o wysokiej czystości umożliwia otrzymanie materiałów półprzewodnikowych typu n lub p. Tym samym kierunkowe domieszkowanie krzemu reguluje właściwości funkcjonalne materiałów ważnych dla mikroelektroniki.

Krzem jest naprawdę wyjątkowym materiałem i dlatego włożono w niego tyle wysiłku, pieniędzy i zasobów intelektualnych. Podstawowe właściwości krzemu zostały zbadane tak szczegółowo, że panuje powszechne przekonanie, że po prostu nie da się go zastąpić. Jednak ostatnie badania nad grafenem dały zielone światło innemu poglądowi, zgodnie z którym można opracować nowe materiały do ​​poziomu, w którym mogłyby zastąpić krzem.

Struktura krystaliczna krzemu

Takie dyskusje pojawiają się okresowo w nauce i z reguły są rozwiązywane dopiero po poważnych badaniach. Na przykład ostatnio podobna sytuacja miała miejsce w przypadku nadprzewodników wysokotemperaturowych. W 1986 roku Bednorz i Müller odkryli nadprzewodnictwo w tlenku baru, lantanu i miedzi (za to odkrycie otrzymali w 1987 roku Nagrodę Nobla – rok po odkryciu!), które wykryto w temperaturach znacznie wyższych od wartości​​ charakterystyczne dla znanych wcześniej czasów materiałów nadprzewodzących. Ponadto struktura nadprzewodników miedzianowych różniła się znacząco od nadprzewodników niskotemperaturowych. Następnie lawina badań nad pokrewnymi układami doprowadziła do wytworzenia materiałów o temperaturze przejścia w stan nadprzewodzący wynoszącej 90 K i wyższej. Oznaczało to, że zamiast drogiego i kapryśnego ciekłego helu, jako chłodziwo można było zastosować ciekły azot – w przyrodzie występuje go dużo w postaci gazowej, a poza tym jest znacznie tańszy od helu.

Niestety, ta euforia szybko opadła po dokładnych badaniach nad nowymi nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi. Te materiały polikrystaliczne, podobnie jak inne złożone tlenki, przypominają ceramikę: są kruche i nieciągliwe. Okazało się, że wewnątrz każdego kryształu nadprzewodnictwo ma dobre parametry, jednak w próbkach zwartych prądy krytyczne są dość niskie, co wynika ze słabych kontaktów pomiędzy ziarnami materiału. Słabe złącza Josephsona pomiędzy ziarnami nadprzewodzącymi nie pozwalają na wytworzenie materiału (na przykład drutu) o wysokich właściwościach nadprzewodzących.

Bateria słoneczna na bazie krzemu polikrystalicznego

Ta sama sytuacja może mieć miejsce w przypadku grafenu. Obecnie odkryto dla niego bardzo ciekawe właściwości, jednak należy przeprowadzić szeroko zakrojone badania, aby ostatecznie odpowiedzieć na pytanie o możliwość wytwarzania tego materiału na skalę przemysłową i wykorzystania go w nanoelektronice.

Alla Arshinova: Proszę wyjaśnić czym jest grafen i czym różni się od grafitu?

Władimir Fiodorow: Grafen to jednoatomowa warstwa utworzona z atomów węgla, która podobnie jak grafit ma siatkę w kształcie plastra miodu. A grafit to odpowiednio warstwy grafenu ułożone jedna na drugiej. Warstwy grafenu w graficie są połączone ze sobą bardzo słabymi wiązaniami van der Waalsa, dlatego ostatecznie możliwe jest ich rozerwanie. Kiedy piszemy ołówkiem, jest to przykład usuwania warstw grafitu. To prawda, że ​​ślad ołówka pozostający na papierze to jeszcze nie grafen, ale wielowarstwowa struktura grafenu.

Teraz każde dziecko może z całą pewnością stwierdzić, że nie tylko przenosi papier, ale tworzy złożoną, wielowarstwową strukturę grafenu

Jeśli jednak uda się rozbić taką strukturę na jedną warstwę, wówczas otrzymamy prawdziwy grafen. Podobnych podziałów dokonali tegoroczni laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Geim i Nowosełow. Udało im się rozszczepić grafit za pomocą taśmy i po zbadaniu właściwości tej „warstwy grafitu” okazało się, że posiada ona bardzo dobre parametry do zastosowania w mikroelektronice. Jedną z niezwykłych właściwości grafenu jest jego wysoka ruchliwość elektronów. Mówią, że grafen stanie się niezbędnym materiałem do komputerów, telefonów i innego sprzętu. Dlaczego? Ponieważ w tym obszarze panuje tendencja do przyspieszania procedur przetwarzania informacji. Procedury te są związane z szybkością zegara. Im wyższa częstotliwość robocza, tym więcej operacji można wykonać w jednostce czasu. Dlatego prędkość nośników ładunku jest bardzo ważna. Okazało się, że nośniki ładunku w grafenie zachowują się jak cząstki relatywistyczne o zerowej masie efektywnej. Te właściwości grafenu naprawdę dają nadzieję, że uda się stworzyć urządzenia zdolne do pracy w częstotliwościach terahercowych, niedostępnych dla krzemu. To jedna z najciekawszych właściwości tego materiału.

Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki 2010 Andre Geim i Konstantin Novoselov

Z grafenu można otrzymać elastyczne i przezroczyste folie, co również jest bardzo interesujące ze względu na szereg zastosowań. Kolejnym plusem jest to, że jest to bardzo prosty i bardzo lekki materiał, lżejszy od krzemu; Poza tym w przyrodzie jest mnóstwo węgla. Dlatego jeśli naprawdę znajdą sposób na wykorzystanie tego materiału w wysokich technologiach, to oczywiście będzie miał dobre perspektywy i być może ostatecznie zastąpi krzem.

Istnieje jednak jeden zasadniczy problem związany z termodynamiczną stabilnością niskowymiarowych przewodników. Jak wiadomo, bryły dzielą się na różne układy przestrzenne; na przykład system 3D (trójwymiarowy) obejmuje kryształy wolumetryczne. Układy dwuwymiarowe (2D) są reprezentowane przez kryształy warstwowe. Struktury łańcuchowe należą do systemu jednowymiarowego (1D). Zatem niskowymiarowe struktury łańcuchowe 1D i warstwowe 2D o właściwościach metalicznych nie są stabilne z termodynamicznego punktu widzenia; wraz ze spadkiem temperatury mają tendencję do przekształcania się w układ, który traci swoje właściwości metaliczne. Są to tak zwane przejścia metal-dielektryk. Czas pokaże, jak stabilne będą materiały grafenowe w niektórych urządzeniach. Oczywiście grafen jest interesujący zarówno z punktu widzenia właściwości elektrofizycznych, jak i mechanicznych. Uważa się, że monolityczna warstwa grafenu jest bardzo mocna.

Alla Arshinova: Silniejszy niż diament?

Władimir Fiodorow: Diament ma wiązania trójwymiarowe i jest bardzo mocny mechanicznie. W graficie wiązania międzyatomowe w płaszczyźnie są takie same, a może nawet silniejsze. Faktem jest, że z termodynamicznego punktu widzenia diament powinien zamienić się w grafit, ponieważ grafit jest od diamentu stabilniejszy. Ale w chemii istnieją dwa ważne czynniki kontrolujące proces transformacji: stabilność termodynamiczna faz i kinetyka procesu, czyli szybkość przemiany jednej fazy w drugą. Diamenty więc od wieków leżą w muzeach na całym świecie i nie chcą zamienić się w grafit, choć powinny. Być może za miliony lat nadal zamienią się w grafit, choć wielka szkoda. Proces przemiany diamentu w grafit w temperaturze pokojowej zachodzi bardzo powoli, ale jeśli podgrzejesz diament do wysokiej temperatury, wówczas bariera kinetyczna będzie łatwiejsza do pokonania i tak się na pewno stanie.

Grafit w oryginalnej formie

Alla Arshinova: Od dawna wiadomo, że grafit można rozdrobnić na bardzo cienkie płatki. Jakie zatem było osiągnięcie laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2010 roku?

Władimir Fiodorow: Prawdopodobnie znasz taką postać jak Petrik. Po wręczeniu Nagrody Nobla Andriejowi Geimowi i Konstantinowi Nowosełowowi oświadczył, że Nagrodę Nobla mu skradziono. W odpowiedzi Geim stwierdził, że wprawdzie takie materiały były znane od bardzo dawna, ale nagrodzono je za zbadanie właściwości grafenu, a nie za odkrycie metody jego wytwarzania jako takiego. Tak naprawdę ich zasługą jest to, że udało im się oddzielić bardzo dobrej jakości warstwy grafenu od wysoko zorientowanego grafitu i szczegółowo zbadać ich właściwości. Jakość grafenu jest bardzo ważna, podobnie jak w technologii krzemowej. Kiedy nauczyli się pozyskiwać krzem o bardzo wysokim stopniu czystości, dopiero wtedy możliwa stała się elektronika na jego bazie. Podobnie jest z grafenem. Geim i Novoselov wzięli bardzo czysty grafit z doskonałymi warstwami, zdołali oddzielić jedną warstwę i zbadali jego właściwości. Jako pierwsi udowodnili, że materiał ten posiada zestaw unikalnych właściwości.

Alla Arshinova: W związku z przyznaniem Nagrody Nobla naukowcom o rosyjskich korzeniach pracującym za granicą nasi rodacy, dalecy od nauki, zastanawiają się, czy tutaj, w Rosji, udało się osiągnąć takie same wyniki?

Władimir Fiodorow: Prawdopodobnie było to możliwe. Po prostu odeszli we właściwym czasie. Ich pierwszy artykuł, opublikowany w Nature, był współautorem kilku naukowców z Czernogołowki. Najwyraźniej nasi rosyjscy badacze również pracowali w tym kierunku. Nie udało się go jednak dokończyć w przekonujący sposób. Szkoda. Być może jednym z powodów są korzystniejsze warunki pracy w zagranicznych laboratoriach naukowych. Niedawno przyjechałem z Korei i mogę porównać warunki pracy, jakie tam dostałem, z pracą w domu. Więc tam nie byłem niczym zajęty, ale w domu byłem pełen rutynowych obowiązków, które zajmowały dużo czasu i nieustannie odrywały mnie od spraw najważniejszych. Otrzymałem wszystko, czego potrzebowałem, i zostało to zrobione z niesamowitą szybkością. Na przykład, jeśli potrzebuję jakiegoś odczynnika, piszę notatkę i przynoszą mi ją następnego dnia. Podejrzewam, że laureaci Nagrody Nobla również mają bardzo dobre warunki pracy. No cóż, starczyło im wytrwałości: wielokrotnie próbowali zdobyć dobry materiał i w końcu odnieśli sukces. Naprawdę poświęcili temu dużo czasu i wysiłku i w tym sensie nagroda została przyznana zasłużenie.

Alla Arshinova: Jakie dokładnie są zalety grafenu w porównaniu z krzemem?

Władimir Fiodorow: Po pierwsze, powiedzieliśmy już, że ma dużą ruchliwość nośników; jak mówią fizycy, nośniki ładunku nie mają masy. Masa zawsze spowalnia ruch. Natomiast w grafenie elektrony poruszają się w taki sposób, że można je uznać za bezmasowe. Ta właściwość jest wyjątkowa: jeśli istnieją inne materiały i cząstki o podobnych właściwościach, są one niezwykle rzadkie. Właśnie do tego okazał się grafen i dlatego wypada korzystnie na tle krzemu.

Po drugie, grafen ma wysoką przewodność cieplną, a to jest bardzo ważne w przypadku urządzeń elektronicznych. Jest bardzo lekki, a arkusz grafenu jest przezroczysty i elastyczny i można go zwinąć. Grafen może być bardzo tani, jeśli zostaną opracowane optymalne metody jego produkcji. W końcu „metoda taśmy klejącej” zademonstrowana przez Game'a i Novoselova nie jest przemysłowa. Metodą tą powstają próbki naprawdę wysokiej jakości, ale w bardzo małych ilościach, tylko do celów badawczych.

A teraz chemicy opracowują inne sposoby produkcji grafenu. W końcu trzeba pozyskać duże arkusze, żeby uruchomić produkcję grafenu. Tymi zagadnieniami zajmujemy się także tutaj, w Instytucie Chemii Nieorganicznej. Jeśli nauczą się syntetyzować grafen metodami, które umożliwią wytworzenie wysokiej jakości materiału na skalę przemysłową, jest nadzieja, że ​​zrewolucjonizuje to mikroelektronikę.

Alla Arshinova: Jak już zapewne wszyscy wiedzą z mediów, wielowarstwową strukturę grafenu można uzyskać za pomocą ołówka i taśmy klejącej. Jaka jest technologia produkcji grafenu stosowana w laboratoriach naukowych?

Władimir Fiodorow: Istnieje kilka metod. Jeden z nich jest znany od bardzo dawna i opiera się na zastosowaniu tlenku grafitu. Jego zasada jest dość prosta. Grafit umieszcza się w roztworze substancji silnie utleniających (na przykład kwasu siarkowego, azotowego itp.), A po podgrzaniu zaczyna oddziaływać ze środkami utleniającymi. W tym przypadku grafit jest dzielony na kilka arkuszy lub nawet warstw jednoatomowych. Jednak powstałe monowarstwy nie są grafenem, ale utlenionym grafenem, który zawiera przyłączone grupy tlenowe, hydroksylowe i karboksylowe. Teraz głównym zadaniem jest przywrócenie tych warstw do grafenu. Ponieważ w wyniku utleniania powstają małe cząstki, należy je w jakiś sposób skleić, aby uzyskać monolit. Wysiłki chemików mają na celu zrozumienie, w jaki sposób można wytworzyć arkusz grafenu z tlenku grafitu, którego technologia produkcji jest znana.

Istnieje inna metoda, również dość tradycyjna i znana od dawna - jest to chemiczne osadzanie z fazy gazowej z udziałem związków gazowych. Jego istota jest następująca. W pierwszej kolejności substancje reakcyjne sublimuje się do fazy gazowej, następnie przepuszcza się je przez nagrzane do wysokich temperatur podłoże, na którym osadzane są pożądane warstwy. Po wybraniu odczynnika wyjściowego, takiego jak metan, można go rozłożyć w taki sposób, że wodór zostanie odszczepiony, a węgiel pozostanie na podłożu. Jednak procesy te są trudne do kontrolowania i trudno jest uzyskać idealną warstwę.

Grafen jest jedną z alotropowych modyfikacji węgla

Istnieje inna metoda, która obecnie zaczyna być aktywnie stosowana - metoda stosowania związków interkalowanych. W graficie, podobnie jak w innych związkach warstwowych, pomiędzy warstwami można umieścić cząsteczki różnych substancji, zwane „cząsteczkami gościa”. Grafit jest matrycą „gospodarza”, w którą zaopatrujemy „gości”. Kiedy goście interkalują w sieć gospodarza, warstwy w naturalny sposób się rozdzielają. To jest dokładnie to, czego potrzeba: proces interkalacji rozkłada grafit. Związki interkalowane są bardzo dobrymi prekursorami do produkcji grafenu - wystarczy usunąć stamtąd „gości” i zapobiec ponownemu zapadnięciu się warstw w grafit. Ważnym krokiem w tej technologii jest proces otrzymywania dyspersji koloidalnych, które można przekształcić w materiały grafenowe. W naszym instytucie wspieramy właśnie takie podejście. Naszym zdaniem jest to najbardziej zaawansowany kierunek, z którego można spodziewać się bardzo dobrych wyników, gdyż warstwy izolowane można najprościej i najefektywniej otrzymać z różnego typu związków interkalowanych.

Struktura grafenu przypomina plaster miodu. A ostatnio stał się to bardzo „słodkim” tematem

Istnieje inna metoda, która nazywa się całkowitą syntezą chemiczną. Polega na tym, że niezbędne „plastry miodu” składają się z prostych cząsteczek organicznych. Chemia organiczna ma bardzo rozwiniętą aparaturę syntetyczną, która pozwala uzyskać ogromną różnorodność cząsteczek. Dlatego też próbują uzyskać struktury grafenu na drodze syntezy chemicznej. Dotychczas udało się stworzyć arkusz grafenu składający się z około dwustu atomów węgla.

Opracowywane są inne podejścia do syntezy grafenu. Pomimo licznych problemów nauka w tym kierunku z sukcesem posuwa się do przodu. Istnieje duża pewność, że istniejące przeszkody zostaną pokonane, a grafen stanie się nowym kamieniem milowym w rozwoju wysokich technologii.

Kandydatka nauk chemicznych Tatyana Zimina.

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2010 została przyznana za badania nad grafenem – dwuwymiarowym materiałem wykazującym niezwykłe, a jednocześnie bardzo przydatne właściwości. Jego odkrycie obiecuje nie tylko nowe technologie, ale także rozwój podstawowej fizyki, co może zaowocować nową wiedzą o budowie materii. Tegorocznymi laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki zostali Andre Geim i Konstantin Novoselov, profesorowie Uniwersytetu w Manchesterze (Wielka Brytania), absolwenci Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii.

Atomy węgla w grafenie tworzą dwuwymiarowy kryształ z komórkami o sześciokątnym kształcie.

Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki 2010 Andre Geim (ur. 1958) jest profesorem na Uniwersytecie w Manchesterze (Wielka Brytania). Absolwent Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii, pracę doktorską obronił w Instytucie Fizyki Ciała Stałego (Czarnogoło

Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki 2010 Konstantin Nowosełow (ur. 1974) jest profesorem na Uniwersytecie w Manchesterze (Wielka Brytania) i absolwentem Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii. Pracował w Instytucie Problemów Technologii Mikroelektroniki i szczególnie

Grafen jest jedną z alotropowych form węgla. Po raz pierwszy uzyskano go poprzez stopniowe złuszczanie cienkich warstw grafitu. Grafen zwija się, tworząc nanorurkę lub fuleren.

Jednym z możliwych zastosowań grafenu jest stworzenie na jego bazie nowej technologii rozszyfrowania struktury chemicznej (sekwencjonowania) DNA. Naukowcy z Instytutu Nanonauki Kavli w Holandii pod kierownictwem profesora Decke

Grafen, materiał o grubości zaledwie jednego atomu, zbudowany jest z „siatki” atomów węgla ułożonych niczym plaster miodu w komórki o kształcie sześciokątnym. Jest to kolejna alotropowa forma węgla, obok grafitu, diamentu, nanorurek i fulerenu. Materiał ma doskonałą przewodność elektryczną, dobrą przewodność cieplną, wysoką wytrzymałość i jest prawie całkowicie przezroczysty.

Pomysł wytwarzania grafenu „zalegał” w sieci krystalicznej grafitu, która jest warstwową strukturą utworzoną z luźno związanych warstw atomów węgla. Oznacza to, że grafit w rzeczywistości można przedstawić jako zestaw połączonych ze sobą warstw grafenu (dwuwymiarowych kryształów).

Grafit jest materiałem warstwowym. To właśnie tę właściwość nobliści wykorzystali do produkcji grafenu, mimo że teoria przewidywała (a wcześniejsze eksperymenty potwierdziły), że dwuwymiarowy materiał węglowy nie może istnieć w temperaturze pokojowej – przekształci się np. w inne alotropowe formy węgla , złożyć w nanorurki lub kuliste fulereny.

Międzynarodowy zespół naukowców pod kierownictwem Andre Geima, w skład którego wchodzili badacze z Uniwersytetu w Manchesterze (Wielka Brytania) oraz Instytutu Technologii Mikroelektroniki i Materiałów Wysoko Czystych (Czernogołowka, Rosja), uzyskał grafen po prostu odrywając warstwy grafitu. W tym celu do kryształu grafitu przyklejono zwykłą taśmę, a następnie ją usunięto: na taśmie pozostały najcieńsze folie, także te jednowarstwowe. (Jak tu nie pamiętać: „Wszystko genialne jest proste”!) Później tą techniką uzyskano inne dwuwymiarowe materiały, w tym nadprzewodnik wysokotemperaturowy Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Obecnie metoda ta nazywana jest „eksfoliacją mikromechaniczną” i pozwala na uzyskanie najwyższej jakości próbek grafenu o wielkości do 100 mikronów.

Kolejnym świetnym pomysłem przyszłych laureatów Nagrody Nobla było osadzenie grafenu na podłożu z tlenku krzemu (SiO2). Dzięki tej procedurze grafen stał się możliwy do obserwacji pod mikroskopem (od sił optycznych po atomowe) i badania.

Pierwsze eksperymenty z nowym materiałem pokazały, że w rękach naukowców znajduje się nie tylko inna forma węgla, ale nowa klasa materiałów o właściwościach, których nie zawsze da się opisać z punktu widzenia klasycznej teorii fizyki ciała stałego.

Powstały dwuwymiarowy materiał, będący półprzewodnikiem, ma przewodność jak jeden z najlepszych przewodników metali – miedź. Jego elektrony mają bardzo dużą ruchliwość, co wynika ze specyfiki jego struktury krystalicznej. Oczywiście ta jakość grafenu w połączeniu z jego grubością nanometrową czyni go kandydatem na materiał, który mógłby zastąpić krzem w elektronice, w tym w przyszłych szybkich komputerach. Naukowcy uważają, że nowa klasa nanoelektroniki grafenu o grubości tranzystora bazowego nie większej niż 10 nm (na grafenie uzyskano już tranzystor polowy) jest tuż za rogiem.

Fizycy pracują obecnie nad dalszym zwiększeniem mobilności elektronów w grafenie. Z obliczeń wynika, że ​​ograniczenie ruchliwości w nim nośników ładunku (a tym samym przewodności) jest związane z obecnością w podłożu SiO 2 naładowanych zanieczyszczeń. Jeśli nauczymy się otrzymywać „wolno wiszące” warstwy grafenu, wówczas ruchliwość elektronów można zwiększyć o dwa rzędy wielkości - aż do 2 × 10 6 cm 2 /V. Z. Takie eksperymenty są już prowadzone i całkiem pomyślnie. To prawda, że ​​​​idealny dwuwymiarowy film w stanie swobodnym jest niestabilny, ale jeśli zostanie odkształcony w przestrzeni (to znaczy nie jest idealnie płaski, ale na przykład falisty), wówczas zapewniona jest stabilność. Z takiej folii można wykonać np. układ nanoelektromechaniczny – bardzo czuły czujnik gazu, zdolny zareagować nawet na pojedynczą cząsteczkę znajdującą się na jego powierzchni.

Inne możliwe zastosowania grafenu: w elektrodach superkondensatorów, w bateriach słonecznych, do tworzenia różnych materiałów kompozytowych, w tym ultralekkich i wysokowytrzymałych (dla lotnictwa, statków kosmicznych itp.), o zadanej przewodności. Te ostatnie mogą się znacznie różnić. Zsyntetyzowano na przykład materialny grafan, który w odróżnieniu od grafenu jest izolatorem (patrz nr „Nauka i Życie”). Otrzymano go przez dodanie atomu wodoru do każdego atomu węgla materiału wyjściowego. Ważne jest, aby wszystkie właściwości materiału wyjściowego – grafenu – można było przywrócić poprzez proste podgrzanie (wyżarzanie) grafanu. Jednocześnie grafen dodany do plastiku (izolatora) zamienia go w przewodnik.

Prawie całkowita przezroczystość grafenu sugeruje jego zastosowanie w ekranach dotykowych, a jeśli pamiętamy o jego „supercienkości”, to perspektywy jego zastosowania w przyszłych elastycznych komputerach (które można zwinąć jak gazetę), bransoletkach do zegarków i miękkich panele świetlne są przejrzyste.

Jednak jakiekolwiek zastosowanie materiału wymaga jego przemysłowej produkcji, do czego nie nadaje się metoda mikromechanicznego złuszczania stosowana w badaniach laboratoryjnych. Dlatego na świecie opracowuje się obecnie ogromną liczbę innych sposobów jego uzyskania. Zaproponowano już chemiczne metody wytwarzania grafenu z mikrokryształów grafitu. Jeden z nich produkuje np. grafen osadzony w matrycy polimerowej. Opisano również osadzanie z fazy gazowej i wzrost pod wysokim ciśnieniem i temperaturą na podłożach z węglika krzemu. W tym drugim przypadku, najbardziej odpowiednim do produkcji przemysłowej, podczas termicznego rozkładu wierzchniej warstwy podłoża powstaje film o właściwościach grafenu.

Wartość nowego materiału dla rozwoju badań fizycznych jest fantastycznie wielka. Jak zauważają Siergiej Morozow (Instytut Problemów Technologii Mikroelektroniki i Materiałów Wysoce Czystych Rosyjskiej Akademii Nauk) Andre Geim i Konstantin Nowoselow w swoim artykule opublikowanym w 2008 roku w czasopiśmie Uspekhi Fizicheskikh Nauk: „w rzeczywistości grafen otwiera nowe możliwości nowy paradygmat naukowy - fizyka „relatywistyczna” w stanie stałym, w którym zjawiska relatywizmu kwantowego (z których część nie jest możliwa do zrealizowania nawet w fizyce wysokich energii) można teraz badać w zwykłych warunkach laboratoryjnych... Po raz pierwszy w stanie stałym eksperymentu, możliwe jest zbadanie wszystkich niuansów i różnorodności elektrodynamiki kwantowej. Oznacza to, że mówimy o tym, że wiele zjawisk, których badanie wymagało budowy ogromnych akceleratorów cząstek, można teraz badać, uzbrojonych w znacznie prostszy instrument - najcieńszy materiał na świecie.

Komentarz eksperta

Myśleliśmy o tranzystorze polowym...

Redaktorzy poprosili swojego kolegę i współautora o komentarz na temat wyników prac laureatów Nagrody Nobla Andre Geima i Konstantina Nowosełowa. Kierownik laboratorium Instytutu Problemów Technologii Mikroelektroniki i Materiałów Wysoce Czystych Rosyjskiej Akademii Nauk (Czernogołowka) Siergiej Morozow odpowiada na pytania korespondentki „Nauki i Życia” Tatiany Ziminy.

Jak zrodził się pomysł uzyskania dwuwymiarowego materiału węglowego? W związku z czym? Czy spodziewałeś się jakichś niezwykłych właściwości po tej formie węgla?

Początkowo naszym celem nie było wykonanie dwuwymiarowego materiału z półmetalu, próbowaliśmy zrobić tranzystor polowy. Nie nadają się do tego metale o grubości nawet jednego atomu - mają za dużo wolnych elektronów. Najpierw otrzymaliśmy przeliczalną liczbę płaszczyzn atomowych z kryształu grafitu, następnie zaczęliśmy wytwarzać coraz cieńsze płytki, aż otrzymaliśmy warstwę jednoatomową, czyli grafen.

Grafen jest przedmiotem rozważań teoretyków już od połowy XX wieku. Wprowadzili także samą nazwę dwuwymiarowego materiału węglowego. To właśnie grafen stał się dla teoretyków punktem wyjścia (na długo przed jego eksperymentalną produkcją) do obliczania właściwości innych form węgla – grafitu, nanorurek, fulerenów. Jest to również najlepiej opisane teoretycznie. Oczywiście, niektóre efekty odkryte obecnie eksperymentalnie po prostu nie były brane pod uwagę przez teoretyków. Elektrony w grafenie zachowują się jak cząstki relatywistyczne. Jednak nikomu nie przyszło do głowy badać, jak będzie wyglądał efekt Halla w przypadku cząstek relatywistycznych. Odkryliśmy nowy rodzaj kwantowego efektu Halla, który był jednym z pierwszych jednoznacznych potwierdzeń wyjątkowości podukładu elektronicznego w grafenie. To samo można powiedzieć o paradoksie Kleina związanym z grafenem, znanym z fizyki wysokich energii. W tradycyjnych półprzewodnikach lub metalach elektrony mogą tunelować przez bariery potencjału, ale z prawdopodobieństwem znacznie mniejszym niż jeden. W grafenie elektrony (podobnie jak cząstki relatywistyczne) przenikają nawet przez bariery o nieskończenie wysokim potencjale bez odbicia.

Dlaczego sądzono, że dwuwymiarowy materiał węglowy (grafen) będzie niestabilny w temperaturze pokojowej? I jak w takim razie udało Ci się to zdobyć?

Wczesne prace teoretyków, które wykazały niestabilność materiałów dwuwymiarowych, odnosiły się do nieskończonego idealnego układu dwuwymiarowego. Późniejsze prace wykazały, że w układzie dwuwymiarowym porządek dalekiego zasięgu (który jest nieodłączną cechą ciał krystalicznych – przyp. red.) może nadal istnieć w skończonej temperaturze (temperatura pokojowa dla kryształu jest temperaturą dość niską). Prawdziwy grafen w stanie zawieszonym najwyraźniej nie jest idealnie płaski, jest lekko pofalowany – wysokość wzniesień w nim jest rzędu nanometra. Te „fale” nie są widoczne w mikroskopie elektronowym, ale istnieją ich inne potwierdzenia.

Grafen jest półprzewodnikiem, jeśli dobrze rozumiem. Ale tu i ówdzie znajduję definicję – półmetal. Do jakiej klasy materiałów należy?

Półprzewodniki mają przerwę wzbronioną o określonej szerokości. Dla grafenu jest to zero. Można go zatem nazwać półprzewodnikiem o zerowej przerwie wzbronionej lub półmetalem o zerowym nakładaniu się. Oznacza to, że zajmuje pozycję pośrednią między półprzewodnikami i półmetalami.

Gdzieniegdzie w literaturze popularnej pojawiają się wzmianki o innych materiałach dwuwymiarowych. Czy twoja grupa próbowała zdobyć któryś z nich?

Dosłownie rok po otrzymaniu grafenu otrzymaliśmy dwuwymiarowe materiały z innych kryształów warstwowych. Są to na przykład azotek boru, niektóre dichalkogenki i nadprzewodnik wysokotemperaturowy Bi-Sr-Ca-Cu-O. Nie odwzorowywały właściwości grafenu – niektóre z nich były generalnie izolatorami, inne miały bardzo niską przewodność. Wiele grup badawczych na całym świecie bada materiały dwuwymiarowe. Obecnie wykorzystujemy azotek boru jako podłoże do struktur grafenowych. Okazało się, że radykalnie poprawia to właściwości grafenu. Ponadto, jeśli mówimy o zastosowaniu grafenu do tworzenia materiałów kompozytowych, azotek boru jest jednym z jego głównych konkurentów.

- Jakie istniejące metody produkcji grafenu są najbardziej obiecujące?

Moim zdaniem istnieją obecnie dwie takie główne metody. Pierwszym z nich jest wzrost warstw niektórych metali ziem rzadkich, a także miedzi i niklu na powierzchni. Następnie grafen trzeba przenieść na inne podłoża, a oni już się tego nauczyli. Technologia ta wchodzi w fazę rozwoju komercyjnego.

Inną metodą jest hodowla na węgliku krzemu. Ale byłoby miło dowiedzieć się, jak hodować grafen na krzemie, na którym zbudowana jest cała współczesna elektronika. Wtedy rozwój urządzeń grafenowych przebiegałby skokowo, gdyż elektronika grafenowa w naturalny sposób rozszerzyłaby funkcjonalność tradycyjnej mikroelektroniki.