Prêmio Nobel pela descoberta do agrafeno. Como "físicos lixo" da Rússia ganharam o Prêmio Nobel

Os nomes dos vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2010 foram anunciados em Estocolmo. Eles eram o professor Andrey Geim e o professor Konstantin Novoselov. Ambos os laureados, que trabalham na Universidade Britânica de Manchester, vêm da Rússia. Andrei Geim, 52, é cidadão holandês, enquanto Konstantin Novoselov, 36, tem cidadania russa e britânica.

O prêmio científico de maior prestígio no mundo, que é de cerca de US$ 1,5 milhão este ano, foi concedido a cientistas pela descoberta do grafeno, um material ultrafino e extremamente durável, que é um filme de carbono com a espessura de um átomo.

Sobre as dificuldades que surgiram durante a descoberta do grafeno e qual é a aplicação prática desse material, Alexander Sergeev, editor científico da revista Vokrug Sveta, fala no ar da Radio Liberty:

O próprio fato de os cientistas terem obtido o grafeno é notável. Teoricamente, o grafeno foi previsto meio século antes de sua síntese. Na escola, todos passaram pela estrutura do grafite - este é um lápis comum. O átomo de carbono forma camadas finas que são repetidamente colocadas umas sobre as outras. Cada camada consiste em células hexagonais que, como um favo de mel, se encaixam umas nas outras.

O problema era separar uma camada das camadas acima e abaixo. Para uma única camada desse cristal bidimensional, assim chamado porque não tem terceira dimensão, várias propriedades físicas interessantes foram previstas. Foram muitos experimentos. Mas não foi possível conseguir a separação de uma camada de todas as outras com um resultado estável.

Andrey Geim e Konstantin Novoselov descobriram uma maneira de isolar essa camada e, posteriormente, garantir que ela realmente seja uma. Os cientistas puderam então medir suas propriedades físicas e verificar se as previsões teóricas estavam mais ou menos corretas. Esse experimento é muito simples: os cientistas pegaram um lápis comum, um pedaço de grafite. Com fita adesiva, foi retirada uma camada de grafite e depois começaram a descascar. Quando restaram 1-2 camadas, o grafite foi transferido para um substrato de silício.

Por que todos os experimentos anteriores falharam? Porque (e isso foi previsto teoricamente) o filme de grafeno, um cristal de carbono bidimensional, é instável à torção. Assim que ela estiver em um estado livre, ela começará a desmoronar imediatamente. Havia até a opinião de que era impossível isolar o grafeno. O trabalho dos cientistas foi feito em 2004, e em 2009 já foi obtido um pedaço de grafeno. Ou seja, uma folha de grafeno com quase um centímetro de tamanho. E agora estamos falando de dezenas de centímetros.

Por que precisamos desse grafeno?

Todos os eletrônicos agora estão se movendo na direção de reduzir o tamanho dos elementos - transistores, eletrodos, etc. Quanto menores os elementos dentro do processador, mais elementos podem ser colocados nele e mais poderoso o processador pode ser montado. Portanto, operações lógicas mais complexas serão realizadas nele. O que pode ser mais fino do que uma camada atômica? O grafeno tem a propriedade de magreza.

Além disso, conduz eletricidade. E é quase transparente. Ao mesmo tempo, é forte o suficiente: é um dos materiais mais fortes por camada atômica. Praticamente não passa por si nenhuma outra substância. Mesmo o hélio gasoso não pode penetrar no grafeno, portanto, este é um revestimento muito confiável. Pode ser usado, por exemplo, em telas sensíveis ao toque, pois o eletrodo transparente não irá obscurecer a imagem. Você pode tentar usá-lo em eletrônica. Agora eles estão tentando desenvolver transistores baseados em grafenos. É verdade que existem dificuldades aqui. O grafeno tem propriedades anômalas que o tornam um tanto difícil de usar em transistores. Mas depois que aprendemos a obter camadas atômicas, provavelmente já são obstáculos superáveis. Este é um material fundamentalmente novo. Nunca houve nada parecido. A monocamada condutora mais fina que pode ser utilizada em tecnologia, em eletrônica.

Os novos laureados com o Nobel têm uma biografia bastante complicada. Um deles é cidadão holandês, o outro tem dois passaportes: britânico e russo. Eles trabalhavam, até onde se sabe, no centro científico de Manchester, na Inglaterra. A ciência está se tornando internacional ou é o triste destino dos cientistas russos fazer grandes descobertas apenas se forem para o exterior?

Para se engajar em um trabalho científico sério, é necessário não apenas a base material e técnica, mas também apenas tranquilidade. Um cientista não deve se confundir com algumas questões. Andrei Game há 10 anos recebeu o Prêmio Ig Nobel por experimentos sobre a levitação magnética de sapos. O Prêmio Ig Nobel é uma piada antiprêmio para trabalhos sem sentido. Um cientista precisa de certa liberdade em seu trabalho. Então as ideias nascem. Hoje levitei sapos e amanhã consigo grafenos.

Se uma pessoa tem essas condições, ela trabalha com mais eficiência. Afinal, os dois atuais ganhadores do Prêmio Nobel de Física estudaram no Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (Instituto de Física e Tecnologia de Moscou - RS). E logo partiram para a Holanda, para a Grã-Bretanha, porque lá o clima de trabalho é mais favorável para a busca dos meios científicos necessários para a realização de pesquisas. Eles arrancaram os filmes de carbono com fita adesiva, mas tiveram que ser medidos com um microscópio de força atômica. Então este microscópio tinha que ser. Na Rússia, é claro, eles são, mas são muito mais difíceis de acessar.

Se eu disser que a Rússia tem uma boa educação básica que possibilita o crescimento de ganhadores do Prêmio Nobel, mas ao mesmo tempo não existe uma base científica séria de alta tecnologia para experimentos, isso seria verdade?

Como acontece com qualquer generalização, há algum exagero aqui. Com a educação, já não somos tão bons e tranquilos, porque em muitos lugares as escolas científicas estão sendo destruídas. Houve uma grande pausa no trabalho dos anos 90. Existem escolas isoladas na Rússia onde tudo ainda está indo muito bem, mas há problemas com equipamentos e pesquisas sérias e caras. Em algum lugar esse equipamento vai parar: de vez em quando, são feitas compras bastante sérias, por exemplo, para o Instituto Kurchatov. Mas a eficácia com que ela é aplicada é uma grande questão. Portanto, em alguns lugares há uma escola científica forte, enquanto em outros há fundos para tecnologia. É bastante difícil trocá-los entre si por questões de prestígio e burocracia. Na Rússia, a pesquisa de alto nível também é possível, mas é muito mais difícil conduzi-la - é um ambiente mais difícil de trabalhar aqui.

A pesquisa científica é multifacetada. Mas existem áreas separadas que o Comitê do Nobel define como avanço? Para o qual é mais fácil obter um Prêmio Nobel? Ou não existem tais direções?

Eu olhei para a lista de ganhadores do Prêmio Nobel de Física nos últimos 20 anos. Não há uma tendência clara. Existem alguns prêmios no campo da física de partículas elementares, interações físicas fundamentais. Isso é compreensível - eles fazem um trabalho bastante interessante lá. Mas aqui devemos levar em consideração um ponto importante. Costuma-se dizer que, para receber um Prêmio Nobel, não basta fazer um trabalho inovador. Ainda temos que viver até o momento em que seja apreciado. Portanto, o Prêmio Nobel, via de regra, é concedido a pessoas em idade muito respeitável. Desse ponto de vista, o Prêmio Nobel de Física deste ano é uma exceção à regra. Novoselov tem agora 36 anos. Nos últimos 20 anos, não houve caso semelhante entre os prêmios de física e, na minha opinião, nunca houve! Nos últimos 8 anos, nenhum dos cientistas com menos de 50 anos recebeu o Prêmio Nobel, e muitos o receberam aos 70 ou mesmo aos 80 anos por trabalhos realizados décadas atrás.

O atual Prêmio Nobel foi concedido em violação das regras. Talvez o Comitê do Nobel tenha achado que o prêmio estava se tornando gerontológico e que a idade de seu recebimento deveria ser reduzida. A última vez em uma idade "jovem" o prêmio em física foi concedido em 2001. Os vencedores tinham entre 40 e 50 anos.

Agora, aparentemente, uma instalação foi feita para um trabalho experimental real. Assim, embora o Prêmio Nobel não inclua astronomia, nos últimos 10 anos houve dois prêmios muito importantes em astrofísica. Houve prêmios em física de alta energia e física de partículas elementares, em física do estado sólido, em física do estado condensado - isto é, sólido, líquido e outros estados nos quais os átomos estão próximos uns dos outros. Quase todos esses trabalhos, de uma forma ou de outra, estão ligados à física quântica.

Por que exatamente a teoria quântica? É devido a algumas preferências pessoais dos membros do Comitê do Nobel? Ou é realmente o futuro científico mais próximo?

O motivo é muito simples. Na verdade, toda a física, exceto a teoria da gravidade, agora é quântica. Quase tudo de novo que está sendo feito no campo da física, com exceção de certas direções laterais, melhorias e avanços que ocorreram no passado, é baseado na física quântica. Apenas a gravidade ainda não sucumbiu a essa "quantização". E tudo o mais que diz respeito aos fundamentos da física é a teoria quântica e a teoria quântica da matéria.

Quem é ele? Novoselov Konstantin Sergeevich!

Biografia

O famoso cientista nasceu na cidade de Nizhny Tagil, região de Sverdlovsk, em 23 de agosto de 1974, na família de um engenheiro e professor de inglês da escola nº 39, cujo fundador e diretor já foi seu avô, Viktor Konstantinovich Novoselov.

Estando na sexta série, Konstantin revela habilidades extraordinárias e conquista o primeiro lugar na Olimpíada regional de física, e um pouco mais tarde, na Olimpíada All-Union, repete o sucesso, entrando entre os dez primeiros. Em 1991 ele se formou em uma Escola de Física e Tecnologia por Correspondência adicional e no mesmo ano tornou-se aluno do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou. Ele estuda na especialidade "nanotecnologia" na Faculdade de Física e Eletrônica Quântica, e se forma com louvor no instituto, após o que é contratado pelo IPTM RAS (Instituto de Problemas de Tecnologia Microeletrônica RAS) em Chernogolovka. Lá ele conclui estudos de pós-graduação sob a orientação de Yuri Dubrovsky.

Fora do país

Em 1999, Konstantin Sergeevich Novoselov, um físico com uma reputação já estabelecida, mudou-se para a Holanda. Lá, na Universidade de Nijmegen, ele trabalha com Andre Geim. Desde 2001, os cientistas trabalham juntos na Universidade de Manchester. Em 2004 ele recebeu um título de Ph.D. (supervisor Jan-Kees Maan).

No momento, Konstantin Sergeevich Novoselov é professor da Royal Society e professor de ciências físicas e matemáticas na Universidade de Manchester e tem dupla cidadania (Rússia e Grã-Bretanha). Agora vive em Manchester.

Pesquisar

Pelo que Konstantin Sergeevich Novoselov é conhecido? Segundo a agência analítica Thomson Reuters, o físico russo-britânico é um dos cientistas mais citados. De sua pena saíram 190 artigos científicos. No entanto, sua pesquisa mais significativa é, obviamente, o grafeno. Muitos já ouviram esta palavra, que parece simples e familiar. A tecnologia é realmente concisa e elegante, como toda genial. Um estudo mais aprofundado é possível, introduzirá a humanidade na era dos dispositivos móveis e de computador ultrarrápidos e ultrafinos, carros elétricos e estruturas duráveis, mas muito leves.

Prêmios

Quando Konstantin Sergeevich Novoselov começou a trabalhar na Universidade de Manchester, um colega sênior da Rússia tornou-se seu líder. Naquela época, ele estava envolvido em pesquisas nessa área há muito tempo e conseguiu reproduzir o mecanismo de colagem das patas da lagartixa , e a partir dela criou uma fita adesiva, que os físicos usaram posteriormente no trabalho com o grafeno. Antes disso, Geim foi auxiliado por um certo estudante chinês, mas, segundo o próprio físico, o trabalho só começou a avançar depois que Konstantin Sergeevich Novoselov começou a trabalhar. O Prêmio Nobel foi concedido a eles em outubro de 2010. Novoselov é agora conhecido como o mais jovem ganhador do Nobel de física (nos últimos 37 anos), além disso, no momento ele é o único cientista entre os ganhadores do Prêmio Nobel que nasceu depois de 1970.

No mesmo 2010, Novoselov recebeu o título de Comandante da Ordem do Leão da Holanda por sua significativa contribuição para a ciência da Holanda, e um pouco mais tarde, em 2011, o decreto da Rainha Elizabeth II o torna um cavaleiro solteiro, já por sua contribuição à ciência na Grã-Bretanha. A cerimônia solene de cavalaria aconteceu um pouco mais tarde, na primavera de 2012, como esperado, no Palácio de Buckingham. Foi apresentado pela filha da rainha, a princesa Anne.

Deve-se dizer que Konstantin Sergeevich Novoselov, cujas atividades científicas e sociais são muito extensas, recebeu outro prêmio de prestígio pela pesquisa de grafeno, tornando-se o vencedor do Prêmio Europhysics em 2008. É concedido a cada dois anos, havia apenas treze laureados com o Nobel entre os vencedores do prêmio. O prêmio consiste em uma recompensa monetária e um certificado correspondente. Ele também recebeu o Prêmio Kurti, mas não pelo grafeno, mas por uma lista de conquistas no trabalho com a esfera de baixas temperaturas e campos magnéticos.

Sobre a família e a vida

Konstantin Novoselov é casado e feliz com sua esposa Irina. Embora ela também seja russa, os cientistas se conheceram no exterior, na Holanda. Irina é de Vologda, ela se dedica à pesquisa na área de microbiologia (ela defendeu sua dissertação em São Petersburgo). O casal tem duas filhas, as gêmeas Sofya e Vika, nascidas em 2009.

Konstantin Sergeevich, em suas próprias palavras, não é o pai que fica semanas sentado no laboratório, sentindo falta da infância de seus próprios filhos. Para ele inventar o menor transistor do mundo e ensinar a filha a contar até vinte e sete - algo que está na mesma linha. "Ninguém nunca fez isso antes de você", diz ele.

Por sua vez, seus pais nunca tentaram limitar os interesses do filho. Eles sempre tiveram a certeza de que o filho era muito talentoso e, como diz o próprio físico, não ficaram surpresos quando ele recebeu o Prêmio Nobel.

Em entrevista à revista Esquire, ele admitiu que sonha em aprender a tocar piano. Ele está aprendendo, no entanto, por sua própria admissão, os resultados até agora são medíocres.

Sobre a URSS

Konstantin Sergeevich nasceu na URSS e recebeu uma excelente educação. Ele mesmo admite que são poucos os lugares onde se pode obter um conhecimento tão profundo. Mas ele não vai voltar para a Rússia. Talvez seja precisamente por isso que alguns jornalistas o censuram involuntariamente por sua falta de patriotismo. A isso, o cientista responde que não se trata de dinheiro, é só que trabalhar na Grã-Bretanha é mais tranquilo, porque ninguém interfere nos seus negócios.

Novoselov leva a vida com leveza, não se prende a falhas - essa é uma de suas regras básicas. Se surgem dificuldades nas relações com as pessoas, procura não levar ao rompimento, mas, se for inevitável, deixa a última palavra para outra pessoa. Um físico famoso tem muitos problemas comuns na vida, por exemplo, ele estaria disposto a gastar qualquer dinheiro apenas para ter algum tempo livre.

Mas ele não divide sua vida em trabalho e lazer, talvez essa seja a chave da produtividade do cientista. Em casa, ele pensa em física e no trabalho apenas descansa a alma.

o que é grafeno

Apesar, é claro, de todas as conquistas no campo da física, a principal obra de Novoselov foi e ainda é o grafeno. Essa estrutura, obtida pela primeira vez em laboratório por nossos compatriotas, é uma "grade" bidimensional de átomos de carbono com apenas um átomo de espessura. O próprio Novoselov afirma que a tecnologia não é complicada e qualquer um pode criar grafeno, quase de forma improvisada. Ele diz que é suficiente obter um bom grafite para começar, embora você possa até usar lápis e gastar um pouco com pastilhas de silicone e fita adesiva. Tudo, o conjunto para criar grafeno está pronto! Assim, o material não se tornará propriedade exclusivamente de grandes corporações, Novoselov e Game literalmente o doaram para o mundo inteiro.

Propriedades incríveis

O físico também se surpreende com as propriedades eletrônicas desse material. Segundo ele, o grafeno pode ser usado em transistores, o que algumas empresas já estão tentando fazer, substituindo peças familiares em dispositivos móveis.

Segundo Novoselov, o grafeno vai revolucionar a tecnologia. Parte integrante de qualquer filme de ficção científica são gadgets incríveis, transparentes, finos, inquebráveis ​​e com grande funcionalidade. Se o grafeno substituir gradualmente o silício obsoleto, as tecnologias do cinema aparecerão na vida.

O que mais há de notável nos estudos de Novoselov e Geim? O fato de terem migrado quase instantaneamente dos laboratórios para os transportadores, e ainda mais - acabou sendo muito útil nos primeiros anos.

tecnologias futuras

Onde o grafeno é usado agora? Parece que esse material descoberto recentemente ainda não poderia se espalhar amplamente, e isso é parcialmente verdade. Quase todos os desenvolvimentos ainda são de natureza experimental e não foram lançados em produção em massa. Porém, agora eles estão tentando usar esse material literalmente em todas as áreas, o que, talvez, possa ser chamado de uma verdadeira "febre do grafeno".

O próprio grafeno, apesar de seu baixo peso e transparência quase total (absorve 2% da luz transmitida, exatamente igual ao vidro de uma janela comum), o material é muito durável. Estudos recentes de cientistas americanos mostraram que o grafeno se mistura bem com o plástico. Isso resulta em um material super resistente que pode ser usado em tudo, desde móveis e telefones celulares até ciência espacial.

Protótipos de baterias para carros elétricos já foram criados a partir do grafeno. Eles são caracterizados por alta capacidade e curto tempo de carregamento. Talvez seja assim que o problema dos veículos elétricos será resolvido e o transporte se tornará barato e ecologicamente correto.

O grafeno é usado no desenvolvimento de novos painéis de toque para telefones. Se os sensores clássicos só podem funcionar em uma superfície plana, o grafeno está livre dessa desvantagem, porque pode ser dobrado como você quiser. Além disso, a alta condutividade elétrica tornará a resposta mínima.

Na aviação

Os corpos de foguetes e aeronaves feitos com grafeno serão várias vezes mais leves, o que reduzirá bastante os custos de combustível. Os voos ficarão tão baratos que qualquer um poderá viajar para o outro lado da terra. Mas, além do tráfego de passageiros, isso também afetará o tráfego de mercadorias. O abastecimento de cantos remotos do planeta ficará muito melhor, o que significa que mais pessoas viverão e trabalharão lá.

MOSCOU, 5 de outubro - RIA Novosti. O Prêmio Nobel de Física de 2010 foi uma celebração para dois países ao mesmo tempo, para a pátria dos laureados - a Rússia, e para sua atual casa - a Grã-Bretanha. Acadêmicos suecos concederam o maior prêmio científico a Andrey Geim e Konstantin Novoselov pela descoberta de uma forma bidimensional de carbono - grafeno, forçando cientistas russos a reclamar da fuga de cérebros e cientistas britânicos - a esperar por financiamento contínuo para a ciência.

“É uma pena que Geim e Novoselov tenham feito suas descobertas no exterior”, disse Alexei Khokhlov, chefe do Departamento de Polímeros e Cristais da Universidade Estadual de Moscou, à RIA Novosti.

"O governo deve aprender com a decisão do Comitê Nobel", - comentou sobre a atribuição do Prêmio Nobel de Física, o presidente da Royal Society of Science, professor Martin Reese. Ele lembrou que muitos cientistas, inclusive estrangeiros, que trabalham na Grã-Bretanha, em caso de corte de financiamento, podem simplesmente partir para outros países.

O governo britânico em 20 de outubro anunciará planos para um corte sério nos gastos do governo. Espera-se que a ciência e o ensino superior sejam uma das áreas mais afetadas pelos cortes.

Os graduados do MIPT Game e Novoselov, que trabalham em Manchester, receberam o prêmio "por experimentos pioneiros no estudo de material bidimensional de grafeno". Eles vão dividir 10 milhões de coroas suecas (cerca de um milhão de euros) entre si. A cerimônia de premiação acontecerá em Estocolmo no dia 10 de dezembro, dia da morte de seu fundador, Alfred Nobel.

O grafeno tornou-se o primeiro material bidimensional da história, constituído por uma única camada de átomos de carbono interligados por uma estrutura de ligações químicas que lembra a estrutura de um favo de mel em sua geometria. Por muito tempo acreditou-se que tal estrutura era impossível.

"Acreditava-se que tais cristais bidimensionais de camada única não poderiam existir. Eles devem perder a estabilidade e se transformar em outra coisa, porque na verdade é um plano sem espessura", disse o ex-chefe dos laureados, diretor do Instituto de Problemas de Tecnologia de Microeletrônica e Materiais de Alta Pureza da Academia Russa de Ciências (IPTM) disse à RIA Novosti) Vyacheslav Tulin.

No entanto, o material "impossível", como se viu, possui propriedades físicas e químicas únicas que o tornam indispensável em vários campos. O grafeno conduz eletricidade tão bem quanto o cobre, pode ser usado para criar telas sensíveis ao toque, células solares, dispositivos eletrônicos flexíveis.

"Esta é uma revolução futura na microeletrônica. Se agora os computadores são gigahertz, então eles serão terahertz e assim por diante. Os transistores e todos os outros elementos dos circuitos eletrônicos serão criados com base no grafeno", Alexei Fomichev, professor do Departamento do MIPT da Quantum Electronics, disse à RIA Novosti.

O grafeno já encontrou uma área de aplicação: células solares fotovoltaicas. "Anteriormente, óxidos de índio dopados com estanho eram usados ​​como eletrodo transparente na produção de células fotovoltaicas. Mas descobriu-se que várias camadas de grafeno são muito mais eficientes", disse Alexander Vul, chefe do laboratório de física de estruturas de aglomerados em o Instituto Ioffe de Física e Tecnologia de São Petersburgo, Academia Russa de Ciências.

O primeiro do departamento de física e tecnologia

Andrei Geim e Konstantin Novoselov são os primeiros graduados do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou a receber o Prêmio Nobel: antes disso, os fundadores e funcionários do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou - Petr Kapitsa, Nikolai Semenov, Lev Landau, Igor Tamm, Alexander Prokhorov, Nikolai Basov, Vitaly Ginzburg e Alexey Abrikosov. Geim se formou na Faculdade de Física Geral e Aplicada (FOPF) em 1982, Novoselov - na Faculdade de Física e Eletrônica Quântica (FFKE) em 1997. Ambos os graduados receberam diplomas vermelhos.

"Esta é uma ótima notícia. Estamos muito satisfeitos com a decisão do Comitê do Nobel. O MIPT já enviou parabéns aos novos laureados com o Nobel", disse o reitor do MIPT, Nikolai Kudryavtsev, à RIA Novosti na terça-feira.

Segundo o reitor, os funcionários “levantaram do arquivo os seus arquivos pessoais e certificaram-se de que eram alunos excelentes”. Ao mesmo tempo, Andrey Geim não ingressou no instituto pela primeira vez, tendo trabalhado um ano na fábrica, mas "mostrou persistência" e tornou-se aluno do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou.

"Durante todo o tempo de estudo no FOPF, Geim recebeu as melhores críticas dos professores. E o trabalho final de Geim foi avaliado excepcionalmente bem pelo comitê de diploma", disse o chefe do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou.

Aluno do 152º grupo da Faculdade de Física e Eletrônica Quântica, Konstantin Novoselov, como observou Kudryavtsev, "frequentou as aulas irregularmente, mas entregou todas as tarefas com sucesso e no prazo".

"E as avaliações dos professores de Novoselov também são as mais altas. Isso significa que ele era tão talentoso que, em geral, não precisava ir a todas as aulas", comentou o reitor do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou sobre os documentos de arquivo.

De Schnobel a Nobel

colega de Geim, Konstantin Novoselov, tornou-se o mais jovem ganhador do Prêmio Nobel com cidadania russa: o físico de 36 anos é seis anos mais novo que seu colega soviético Nikolai Basov, que aos 42 anos recebeu o prêmio de 1964 por seu trabalho no campo da eletrônica quântica, que levou à criação de emissores e amplificadores baseados no princípio laser-maser.

O mais jovem ganhador do Prêmio Nobel da história foi Lawrence Bragg, que aos 25 anos dividiu o prêmio em física com seu pai, William Henry Bragg. As próximas quatro posições na lista dos mais jovens laureados da história também são ocupadas por físicos: Werner Heisenberg, Zongdao Li, Karl Anderson e Paul Dirac receberam prêmios aos 31 anos.

Konstantin Novoselov, no entanto, entrará para a história como o primeiro membro da geração nascida na década de 1970. O físico Eric Cornell, os biólogos Carol Greider e Craig Mello, e o presidente dos Estados Unidos, Barack Obama, que recebeu o Prêmio Nobel da Paz, representam a década anterior na lista de laureados. Não há ninguém com menos de 1961, exceto Novoselov, na lista de laureados.

Do editor: Tocando no tema da modernização da economia russa e do desenvolvimento de alta tecnologia em nosso país, estabelecemos a tarefa não apenas de chamar a atenção dos leitores para as deficiências, mas também de falar sobre exemplos positivos. Além disso, existem, e muitos deles. Na semana passada falamos sobre o desenvolvimento de células de combustível na Rússia, e hoje falaremos sobre o grafeno, pelo estudo das propriedades das quais “nosso antigo povo” recebeu recentemente o Prêmio Nobel. Acontece que na Rússia, ou melhor, em Novosibirsk, eles estão trabalhando muito seriamente nesse material.

O silício como base da microeletrônica conquistou firmemente sua posição no espaço de alta tecnologia, e isso não aconteceu por acaso. Primeiro, é relativamente fácil conferir as propriedades desejadas ao silício. Em segundo lugar, é conhecido da ciência há muito tempo e tem sido estudado "de alto a baixo". A terceira razão é que fundos verdadeiramente gigantescos foram investidos em tecnologias de silício, e poucas pessoas se atreverão a apostar em um novo material agora. Afinal, para isso será necessário reconstruir um enorme setor industrial. Em vez disso, construa-o quase do zero.

No entanto, existem outros candidatos à liderança como material semicondutor. Por exemplo, o grafeno, que depois do Prêmio Nobel pelo estudo de suas propriedades, ficou muito na moda. De fato, há razões para mudar de silício para ele, já que o grafeno tem várias vantagens significativas. Mas se vamos acabar com “eletrônica baseada em grafeno” ainda não está claro, porque junto com as vantagens, também existem desvantagens.

Para falar sobre as perspectivas do grafeno na microeletrônica e suas propriedades únicas, nos encontramos em Novosibirsk com o pesquisador-chefe do Instituto de Química Inorgânica. A. V. Nikolaev SB RAS, Doutor em Ciências Químicas, Professor Vladimir Fedorov.

Alla Arshinova: Vladimir Efimovich, quais são as posições atuais do silício na microeletrônica?

Vladimir Fedorov: O silício tem sido usado na indústria como o principal material semicondutor por muito tempo. O fato é que ele é facilmente dopado, ou seja, podem ser adicionados a ele átomos de vários elementos, que alteram as propriedades físicas e químicas de forma direcionada. Essa modificação do silício de alta pureza possibilita a obtenção de materiais semicondutores do tipo n ou p. Assim, a dopagem direcional do silício regula as propriedades funcionais dos materiais que são importantes para a microeletrônica.

O silício é um material verdadeiramente único, e esta é a razão pela qual tanto esforço, dinheiro e recursos intelectuais foram investidos nele. As propriedades fundamentais do silício foram estudadas com tanto detalhe que existe uma opinião generalizada de que simplesmente não pode haver um substituto para ele. No entanto, pesquisas recentes sobre o grafeno deram luz verde a outra visão, que é a de que novos materiais podem avançar a ponto de substituir o silício.

Estrutura cristalina do silício

Tais discussões surgem periodicamente na ciência e são resolvidas, via de regra, somente após pesquisas sérias. Por exemplo, recentemente houve uma situação semelhante com supercondutores de alta temperatura. Em 1986, Bednorz e Müller descobriram a supercondutividade no óxido de bário-lantânio-cobre (por esta descoberta já receberam o Prêmio Nobel em 1987 - um ano após a descoberta!), Que foi detectada a uma temperatura significativamente superior aos valores característica do tempo conhecido de materiais supercondutores. Ao mesmo tempo, a estrutura dos compostos supercondutores de cuprato diferiu significativamente dos supercondutores de baixa temperatura. Então, um estudo semelhante a uma avalanche de sistemas relacionados levou à produção de materiais com uma temperatura de transição supercondutora de 90 K e acima. Isso significava que não era possível usar hélio líquido caro e caprichoso como refrigerante, mas nitrogênio líquido - há muito na forma gasosa na natureza e, além disso, é muito mais barato que o hélio.

Mas, infelizmente, essa euforia logo passou após uma pesquisa cuidadosa de novos supercondutores de alta temperatura. Esses materiais policristalinos, como outros óxidos complexos, são semelhantes à cerâmica: são quebradiços e não dúcteis. Descobriu-se que a supercondutividade dentro de cada cristal tem bons parâmetros, mas em amostras compactas as correntes críticas são bastante baixas, devido a contatos fracos entre os grãos do material. Junções Josephson fracas entre grãos supercondutores não possibilitam a fabricação de um material (por exemplo, para fazer um fio) com altas características supercondutoras.

Bateria solar baseada em silício policristalino

A mesma situação pode acontecer com o grafeno. Atualmente, propriedades muito interessantes foram encontradas para ele, mas uma extensa pesquisa ainda precisa ser feita para finalmente responder à questão da possibilidade de obter esse material em escala industrial e usá-lo em nanoeletrônica.

Alla Arshinova: Você pode explicar o que é grafeno e como ele difere do grafite?

Vladimir Fedorov: O grafeno é uma camada monoatômica formada por átomos de carbono, que, como o grafite, possui uma rede em forma de favo de mel. E o grafite é, respectivamente, empilhado um sobre o outro em uma pilha de camadas de grafeno. As camadas de grafeno no grafite são interconectadas por ligações van der Waals muito fracas, e é por isso que é possível, no final, separá-las. Quando escrevemos com um lápis, este é um exemplo do fato de que estamos descascando camadas de grafite. É verdade que o traço de um lápis que fica no papel ainda não é grafeno, mas uma estrutura multicamada de grafeno.

Agora toda criança pode dizer com toda a seriedade que não apenas traduz papel, mas cria a estrutura multicamada de grafeno mais complexa.

Mas se for possível dividir tal estrutura em uma única camada, então o verdadeiro grafeno é obtido. Divisões semelhantes foram realizadas pelos ganhadores do Prêmio Nobel de física deste ano, Geim e Novoselov. Eles conseguiram dividir o grafite com fita adesiva e, após estudar as propriedades dessa “camada de grafite”, descobriram que ela possui parâmetros muito bons para uso em microeletrônica. Uma das propriedades notáveis ​​do grafeno é sua alta mobilidade eletrônica. Eles dizem que o grafeno se tornará um material indispensável para computadores, telefones e outros equipamentos. Por que? Porque nesta área existe uma tendência para acelerar os procedimentos de tratamento da informação. Essas rotinas estão relacionadas à frequência do relógio. Quanto maior a frequência de operação, mais operações podem ser processadas por unidade de tempo. Portanto, a velocidade dos portadores de carga é muito importante. Descobriu-se que os portadores de carga no grafeno se comportam como partículas relativísticas com massa efetiva zero. Tais propriedades do grafeno realmente nos permitem esperar que seja possível criar dispositivos capazes de operar em frequências de terahertz inacessíveis ao silício. Esta é uma das propriedades mais interessantes do material.

Prêmios Nobel de Física 2010 Andrey Geim e Konstantin Novoselov

Filmes flexíveis e transparentes podem ser obtidos a partir do grafeno, o que também é muito interessante para diversas aplicações. Outra vantagem é que é um material muito simples e muito leve, mais leve que o silício; além disso, há muito carbono na natureza. Portanto, se eles realmente encontrarem uma maneira de usar esse material em altas tecnologias, é claro que ele terá boas perspectivas e, possivelmente, substituirá o silício.

Mas há um problema fundamental associado à estabilidade termodinâmica de condutores de baixa dimensão. Como se sabe, os corpos sólidos são subdivididos em vários sistemas espaciais; por exemplo, o sistema 3D (tridimensional) inclui cristais a granel. Sistemas bidimensionais (2D) são representados por cristais em camadas. E as estruturas em cadeia pertencem a um sistema unidimensional (1D). Assim, estruturas de baixa dimensão - cadeia 1D e estruturas em camadas 2D com propriedades metálicas não são estáveis ​​do ponto de vista termodinâmico, pois à medida que a temperatura diminui, elas tendem a se transformar em um sistema que perde propriedades metálicas. Estas são as chamadas transições metal-isolante. Quão estáveis ​​os materiais de grafeno serão em alguns dispositivos ainda não se sabe. Claro, o grafeno é interessante, tanto em termos de propriedades elétricas quanto mecânicas. Acredita-se que a camada monolítica de grafeno seja muito forte.

Alla Arshinova: Mais forte que o diamante?

Vladimir Fedorov: O diamante tem ligações tridimensionais, mecanicamente é muito forte. No grafite no plano, as ligações interatômicas são as mesmas, talvez mais fortes. O fato é que, do ponto de vista termodinâmico, o diamante deveria se transformar em grafite, porque o grafite é mais estável que o diamante. Mas na química, existem dois fatores importantes que controlam o processo de transformação: são a estabilidade termodinâmica das fases e a cinética do processo, ou seja, a taxa de transformação de uma fase em outra. Assim, os diamantes estão nos museus do mundo há séculos e não querem se transformar em grafite, embora devessem. Talvez em milhões de anos eles ainda se transformem em grafite, embora seja uma pena. O processo de diamante em grafite à temperatura ambiente é muito lento, mas se você aquecer o diamante a uma temperatura alta, a barreira cinética será mais fácil de superar e isso definitivamente acontecerá.

Grafite em sua forma original

Alla Arshinova: O fato de que o grafite pode ser dividido em flocos muito finos é conhecido há muito tempo. Qual foi então a conquista dos ganhadores do Prêmio Nobel de Física de 2010?

Vladimir Fedorov: Você provavelmente conhece um personagem como Petrik. Depois que o Prêmio Nobel foi concedido a Andrey Geim e Konstantin Novoselov, ele afirmou que o Prêmio Nobel havia sido roubado dele. Em resposta, Game disse que, de fato, esses materiais são conhecidos há muito tempo, mas receberam o prêmio por estudar as propriedades do grafeno, e não por descobrir um método para obtê-lo como tal. Na verdade, seu mérito é que eles foram capazes de separar camadas de grafeno de muito boa qualidade de grafite altamente orientado e estudar suas propriedades em detalhes. A qualidade do grafeno é muito importante, assim como na tecnologia do silício. Quando aprenderam a obter silício de altíssimo grau de pureza, só então a eletrônica baseada nele se tornou possível. O mesmo vale para o grafeno. Geim e Novoselov pegaram grafite muito puro com camadas perfeitas, conseguiram separar uma camada e estudaram suas propriedades. Eles foram os primeiros a provar que este material possui um conjunto de propriedades únicas.

Alla Arshinova: Em conexão com a concessão do Prêmio Nobel a cientistas com raízes russas que trabalham no exterior, nossos compatriotas que estão longe da ciência se perguntam se seria possível chegar aos mesmos resultados aqui na Rússia?

Vladimir Fedorov: Provavelmente era possível. Eles simplesmente saíram na hora certa. Seu primeiro artigo, publicado na Nature, foi escrito em coautoria com vários cientistas de Chernogolovka. Aparentemente, nossos pesquisadores russos também trabalharam nessa direção. Mas não conseguiu completá-lo de forma convincente. É uma pena. Talvez um dos motivos sejam as condições mais favoráveis ​​​​para trabalhar em laboratórios científicos estrangeiros. Cheguei recentemente da Coréia e posso comparar as condições de trabalho que recebi lá com o trabalho em casa. Então lá eu não estava preocupado com nada, e em casa - cheio de tarefas rotineiras que tomam muito tempo e me distraem constantemente do principal. Recebi tudo o que precisava e foi feito com uma velocidade incrível. Por exemplo, se preciso de algum tipo de reagente, escrevo um bilhete - e no dia seguinte eles trazem para mim. Suspeito que os laureados com o Nobel também tenham condições de trabalho muito boas. Bem, eles tiveram perseverança suficiente: tentaram repetidamente obter um bom material e finalmente alcançaram o sucesso. Eles realmente gastaram muito tempo e esforço nisso, e o prêmio nesse sentido é merecido.

Alla Arshinova: E quais são exatamente as vantagens do grafeno em relação ao silício?

Vladimir Fedorov: Em primeiro lugar, já dissemos que tem uma alta mobilidade de portadores, como dizem os físicos, os portadores de carga não têm massa. A massa sempre retarda o movimento. E no grafeno, os elétrons se movem de tal forma que podemos considerá-los sem massa. Essa propriedade é única: se existem outros materiais e partículas com propriedades semelhantes, eles são extremamente raros. O grafeno acabou sendo bom nisso e se compara favoravelmente ao silício.

Em segundo lugar, o grafeno possui alta condutividade térmica, o que é muito importante para dispositivos eletrônicos. É muito leve e a folha de grafeno é transparente e flexível e pode ser enrolada. O grafeno também pode ser muito barato se forem desenvolvidos métodos ideais para sua produção. Afinal, o "método escocês", demonstrado por Game e Novoselov, não é industrial. Com esse método, obtêm-se amostras de qualidade realmente alta, mas em quantidades muito pequenas, apenas para pesquisa.

E agora os químicos estão desenvolvendo outras maneiras de obter grafeno. Afinal, você precisa obter folhas grandes para colocar a produção de grafeno em operação. Também estamos lidando com essas questões aqui, no Instituto de Química Inorgânica. Se o grafeno puder ser sintetizado usando métodos que permitam a produção de material de alta qualidade em escala industrial, há esperança de que ele revolucione a microeletrônica.

Alla Arshinova: Como provavelmente todos já sabem da mídia, uma estrutura multicamada de grafeno pode ser obtida usando um lápis e fita adesiva. E qual a tecnologia de obtenção do grafeno utilizada em laboratórios científicos?

Vladimir Fedorov: Existem vários métodos. Um deles é conhecido há muito tempo, é baseado no uso de óxido de grafite. Seu princípio é bastante simples. O grafite é colocado em uma solução de substâncias altamente oxidantes (por exemplo, ácido sulfúrico, nítrico, etc.) e, quando aquecido, começa a interagir com agentes oxidantes. Nesse caso, o grafite é dividido em várias folhas ou mesmo em camadas monoatômicas. Mas as monocamadas resultantes não são grafeno, mas sim grafeno oxidado, que possui grupos de oxigênio, hidroxila e carboxila. Agora, a principal tarefa é restaurar essas camadas ao grafeno. Como pequenas partículas são obtidas durante a oxidação, elas devem ser coladas de alguma forma para obter um monólito. Os esforços dos químicos visam entender como é possível fazer uma folha de grafeno a partir do óxido de grafite, cuja tecnologia de produção é conhecida.

Existe outro método, também bastante tradicional e conhecido há muito tempo - é a deposição química de vapor com a participação de compostos gasosos. Sua essência é a seguinte. Primeiro, as substâncias da reação são sublimadas na fase gasosa, depois passam por um substrato aquecido a altas temperaturas, sobre o qual são depositadas as camadas desejadas. Quando o reagente inicial, por exemplo, metano, é selecionado, ele pode ser decomposto de forma que o hidrogênio seja separado e o carbono permaneça no substrato. Mas esses processos são difíceis de controlar e é difícil obter uma camada ideal.

O grafeno é uma das modificações alotrópicas do carbono

Existe outro método que agora está começando a ser usado ativamente - o método de uso de compostos intercalados. No grafite, como em outros compostos em camadas, moléculas de várias substâncias, chamadas de "moléculas convidadas", podem ser colocadas entre as camadas. Grafite é a matriz "host" onde fornecemos "convidados". Quando os convidados são intercalados na grade do host, naturalmente as camadas são separadas. Isso é exatamente o que é necessário: o processo de intercalação quebra o grafite. Os compostos intercalados são precursores muito bons para a obtenção do grafeno - basta retirar os "convidados" de lá e evitar que as camadas se desmoronem novamente no grafite. Nesta tecnologia, uma etapa importante é o processo de obtenção de dispersões coloidais que podem ser convertidas em materiais de grafeno. Apoiamos essa abordagem em nosso instituto. Em nossa opinião, esta é a direção mais avançada, da qual se esperam resultados muito bons, porque camadas isoladas podem ser obtidas de forma mais simples e eficiente a partir de vários tipos de compostos intercalados.

O grafeno é semelhante em estrutura aos favos de mel. E recentemente tornou-se um tópico muito "doce"

Existe outra maneira, que é chamada de síntese química total. Está no fato de que os "favos de mel" necessários são montados a partir de moléculas orgânicas simples. A química orgânica possui um aparato sintético muito desenvolvido, o que possibilita a obtenção de uma enorme variedade de moléculas. Portanto, o método de síntese química está tentando obter estruturas de grafeno. Até agora, foi possível criar uma folha de grafeno composta por cerca de duzentos átomos de carbono.

Outras abordagens para a síntese de grafeno também estão sendo desenvolvidas. Apesar dos inúmeros problemas, a ciência nessa direção está avançando com sucesso. Há muita confiança de que os obstáculos existentes serão superados e o grafeno trará um novo marco no desenvolvimento de altas tecnologias.

Doutora em Química Tatyana Zimina.

O Prêmio Nobel de Física de 2010 foi concedido à pesquisa sobre o grafeno, um material bidimensional que exibe propriedades incomuns e ao mesmo tempo muito úteis. Sua descoberta promete não apenas novas tecnologias, mas também o desenvolvimento da física fundamental, que pode resultar em novos conhecimentos sobre a estrutura da matéria. Os ganhadores do Prêmio Nobel de Física deste ano são Andre Game e Konstantin Novoselov, professores da Universidade de Manchester (Grã-Bretanha), formados pelo Instituto de Física e Tecnologia de Moscou.

Os átomos de carbono no grafeno formam um cristal bidimensional com células hexagonais.

O Prêmio Nobel de Física de 2010, Andre Geim (nascido em 1958), é professor da Universidade de Manchester (Reino Unido). Graduado pelo Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, defendeu sua tese de doutorado no Instituto de Física do Estado Sólido (Chernogolo

Prêmio Nobel de Física 2010 Konstantin Novoselov (nascido em 1974) é professor da Universidade de Manchester (Reino Unido) e graduado pelo Instituto de Física e Tecnologia de Moscou. Trabalhou no Instituto de Problemas de Tecnologia de Microeletrônica e

O grafeno é uma das formas alotrópicas do carbono. Foi obtido pela primeira vez por esfoliação gradual de finas camadas de grafite. O grafeno, dobrado, forma um nanotubo ou fulereno.

Uma das possíveis aplicações do grafeno é a criação a partir dele de uma nova tecnologia para decifrar a estrutura química (sequenciamento) do DNA. Cientistas do Kavli Institute of Nanoscience (Holanda) liderados pelo professor Dekke

O grafeno, um material com apenas um átomo de espessura, é construído a partir de uma "grade" de átomos de carbono dispostos como um favo de mel em células hexagonais (hexagonais). Esta é outra forma alotrópica de carbono junto com grafite, diamante, nanotubos e fulereno. O material possui excelente condutividade elétrica, boa condutividade térmica, alta resistência e é quase totalmente transparente.

A ideia de obter o grafeno "estava" na rede cristalina do grafite, que é uma estrutura em camadas formada por camadas fracamente ligadas de átomos de carbono. Ou seja, o grafite, de fato, pode ser representado como um conjunto de camadas de grafeno (cristais bidimensionais) interligadas.

O grafite é um material em camadas. É essa propriedade que os laureados com o Prêmio Nobel usaram para obter o grafeno, apesar de a teoria prever (e experimentos anteriores confirmarem) que um material de carbono bidimensional não pode existir à temperatura ambiente - ele se transformará em outras formas alotrópicas de carbono, por exemplo por exemplo, dobram-se em nanotubos ou em fulerenos esféricos.

Uma equipe internacional de cientistas liderada por Andre Geim, que incluía pesquisadores da Universidade de Manchester (Grã-Bretanha) e do Institute for Problems of Microelectronics Technology and Highly Pure Materials (Rússia, Chernogolovka), obteve o grafeno simplesmente esfoliando camadas de grafite. Para fazer isso, uma fita adesiva comum foi colada no cristal de grafite e depois removida: os filmes mais finos permaneceram na fita, entre os quais os de camada única. (Como você pode não se lembrar: “Tudo engenhoso é simples!”) Mais tarde, outros materiais bidimensionais foram obtidos usando essa técnica, incluindo o supercondutor de alta temperatura Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Agora, esse método é chamado de "separação micromecânica", permite obter amostras de grafeno da mais alta qualidade com tamanho de até 100 mícrons.

Outra grande ideia dos futuros laureados com o Nobel foi a deposição de grafeno sobre um substrato de óxido de silício (SiO 2 ). Graças a este procedimento, o grafeno tornou-se possível observar ao microscópio (da força ótica à atômica) e estudar.

Os primeiros experimentos com o novo material mostraram que nas mãos dos cientistas não está apenas outra forma de carbono, mas uma nova classe de materiais com propriedades que nem sempre podem ser descritas do ponto de vista da teoria clássica da física do estado sólido.

O material bidimensional resultante, sendo um semicondutor, tem uma condutividade semelhante à de um dos melhores condutores metálicos - o cobre. Seus elétrons têm uma mobilidade muito alta, que está associada às peculiaridades de sua estrutura cristalina. Obviamente, essa qualidade do grafeno, aliada à sua espessura nanométrica, o torna candidato a um material que poderá substituir na eletrônica, inclusive nos futuros computadores de alta velocidade, o silício que não atende às demandas atuais. Os pesquisadores acreditam que uma nova classe de nanoeletrônica de grafeno com uma espessura de transistor de base não superior a 10 nm (um transistor de efeito de campo já foi obtido no grafeno) não está longe.

Agora, os físicos estão trabalhando para aumentar ainda mais a mobilidade dos elétrons no grafeno. Os cálculos mostram que a limitação da mobilidade dos portadores de carga nele (e, portanto, da condutividade) está associada à presença de impurezas carregadas no substrato de SiO 2 . Se alguém aprender a obter filmes de grafeno "pendurados livremente", então a mobilidade eletrônica pode ser aumentada em duas ordens de grandeza - até 2×10 6 cm 2 /V. Com. Tais experimentos já estão em andamento e com bastante sucesso. É verdade que um filme bidimensional ideal em estado livre é instável, mas se for deformado no espaço (ou seja, não é perfeitamente plano, mas, por exemplo, ondulado), então a estabilidade é garantida para ele. Tal filme pode ser usado, por exemplo, para fazer um sistema nanoeletromecânico - um sensor de gás altamente sensível capaz de responder até mesmo a uma única molécula que apareça em sua superfície.

Outras aplicações possíveis do grafeno: nos eletrodos de supercapacitores, em células solares, para a criação de diversos materiais compósitos, inclusive ultraleves e de alta resistência (para aviação, espaçonaves, etc.), com uma determinada condutividade. Este último pode ser extremamente diferente. Por exemplo, foi sintetizado o material grafano, que, ao contrário do grafeno, é um isolante (ver "Ciência e Vida" nº). Foi obtido ligando um átomo de hidrogênio a cada átomo de carbono do material de partida. É importante que todas as propriedades do material de partida - grafeno - possam ser restauradas por simples aquecimento (recozimento) do grafano. Ao mesmo tempo, o grafeno adicionado ao plástico (um isolante) o transforma em um condutor.

A quase total transparência do grafeno sugere seu uso em telas sensíveis ao toque e, se lembrarmos de sua “superfina”, então as perspectivas de seu uso para futuros computadores flexíveis (que podem ser enrolados como um jornal), pulseiras de relógios, painéis de luz suave são compreensível.

Mas qualquer aplicação do material requer sua produção industrial, para a qual o método de separação micromecânica usado em pesquisas de laboratório não é adequado. Portanto, um grande número de outras formas de obtê-lo está sendo desenvolvido no mundo. Métodos químicos para obtenção de grafeno a partir de microcristais de grafite já foram propostos. Uma delas, por exemplo, produz grafeno embutido em uma matriz polimérica. Deposição de vapor, crescimento em alta pressão e temperatura, em substratos de carboneto de silício também são descritos. Neste último caso, mais adequado para produção industrial, um filme com as propriedades do grafeno é formado pela decomposição térmica da camada superficial do substrato.

O valor do novo material para o desenvolvimento da pesquisa física é fantasticamente grande. Como Sergei Morozov (Instituto para Problemas de Tecnologia Microeletrônica e Materiais Altamente Puros da Academia Russa de Ciências), Andre Geim e Konstantin Novoselov apontam em seu artigo publicado em 2008 na revista Uspekhi fizicheskikh nauk, “na verdade, o grafeno abre um novo paradigma científico - física “relativística” de um estado sólido, na qual os fenômenos relativísticos quânticos (alguns dos quais não são realizáveis ​​nem mesmo na física de alta energia) podem agora ser estudados em condições normais de laboratório ... Pela primeira vez em um sólido -estado, todas as nuances e diversidade da eletrodinâmica quântica podem ser exploradas. Ou seja, estamos falando do fato de que muitos fenômenos, cujo estudo exigia a construção de enormes aceleradores de partículas, agora podem ser investigados munidos de uma ferramenta muito mais simples - o material mais fino do mundo.

Comentário do especialista

Pensamos em um transistor de efeito de campo...

Os editores pediram ao colega e coautor que comentasse os resultados do trabalho dos ganhadores do Nobel Andre Geim e Konstantin Novoselov. Sergei Morozov, chefe do Laboratório do Instituto de Problemas de Tecnologia de Microeletrônica e Materiais de Alta Pureza da Academia Russa de Ciências (Chernogolovka), responde a perguntas de Tatyana Zimina, correspondente da Science and Life.

Como surgiu a ideia de obter um material de carbono bidimensional? Em conexão com o quê? Você esperava alguma propriedade incomum dessa forma de carbono?

Inicialmente, não tínhamos como objetivo obter um material bidimensional de um semimetal, tentamos fazer um transistor de efeito de campo. Os metais, mesmo com a espessura de um átomo, não são adequados para isso - eles têm muitos elétrons livres. Primeiro, obtivemos um número contável de planos atômicos de um cristal de grafite, depois começamos a fazer placas cada vez mais finas até obtermos uma camada atômica única, ou seja, o grafeno.

O grafeno é considerado por teóricos há muito tempo, desde meados do século XX. Eles também introduziram o próprio nome do material de carbono bidimensional. Foi o grafeno que os teóricos (muito antes de sua produção experimental) se tornaram o ponto de partida para calcular as propriedades de outras formas de carbono - grafite, nanotubos, fulerenos. É também o mais bem descrito teoricamente. Claro, os teóricos simplesmente não consideraram quaisquer efeitos agora descobertos experimentalmente. Os elétrons no grafeno se comportam como partículas relativísticas. Mas ninguém havia pensado em estudar como seria o efeito Hall no caso de partículas relativísticas. Descobrimos um novo tipo de efeito Hall quântico, que foi uma das primeiras confirmações impressionantes da singularidade do subsistema eletrônico no grafeno. O mesmo pode ser dito sobre o paradoxo de Klein inerente ao grafeno, conhecido da física de alta energia. Em semicondutores ou metais tradicionais, os elétrons podem atravessar barreiras de potencial, mas com uma probabilidade muito menor que um. No grafeno, os elétrons (como partículas relativísticas) penetram sem reflexão mesmo através de barreiras de potencial infinitamente altas.

Por que se acreditava que um material de carbono bidimensional (grafeno) seria instável à temperatura ambiente? E então como você conseguiu?

Os primeiros trabalhos dos teóricos, que mostraram a instabilidade de materiais bidimensionais, referiam-se a um sistema bidimensional ideal infinito. Trabalhos posteriores mostraram que em um sistema bidimensional, a ordem de longo alcance ainda pode existir (que é inerente aos corpos cristalinos. - Ed.) a uma temperatura finita (a temperatura ambiente para um cristal é uma temperatura bastante baixa). O grafeno real em suspensão, no entanto, aparentemente não é perfeitamente plano, é levemente ondulado - a altura das elevações é da ordem de um nanômetro. Em um microscópio eletrônico, essas "ondas" não são visíveis, mas existem outras confirmações delas.

O grafeno é um semicondutor, se bem entendi. Mas aqui e ali encontro a definição - semi-metal. A que classe de materiais pertence?

Os semicondutores têm um intervalo de banda de uma certa largura. O grafeno tem zero. Portanto, pode ser chamado de semicondutor com gap zero ou semimetal com sobreposição de banda zero. Ou seja, ocupa uma posição intermediária entre semicondutores e semimetais.

Em alguns lugares da literatura popular, outros materiais bidimensionais são mencionados. Seu grupo já experimentou algum desses?

Literalmente um ano após a obtenção do grafeno, obtivemos materiais bidimensionais de outros cristais em camadas. Estes são, por exemplo, nitreto de boro, alguns dicalcogenetos, supercondutores de alta temperatura Bi-Sr-Ca-Cu-O. Eles não repetiram as propriedades do grafeno - alguns deles eram geralmente dielétricos, outros tinham condutividade muito baixa. Muitos grupos de pesquisa no mundo estão engajados no estudo de materiais bidimensionais. Agora usamos nitreto de boro como substrato para estruturas de grafeno. Descobriu-se que isso melhora radicalmente as propriedades do grafeno. Além disso, se falamos do uso do grafeno para criar materiais compósitos, o nitreto de boro é um de seus principais concorrentes aqui.

- Quais são os métodos mais promissores para a produção de grafeno?

Na minha opinião, agora existem dois desses métodos principais. O primeiro é o crescimento na superfície de filmes de alguns metais de terras raras, bem como cobre e níquel. Então o grafeno deve ser transferido para outros substratos, e isso já foi aprendido. Esta tecnologia está entrando na fase de desenvolvimento comercial.

Outro método é crescer em carboneto de silício. Mas seria bom aprender como cultivar grafeno em silício, no qual toda a eletrônica moderna é construída. Então, o desenvolvimento de dispositivos de grafeno teria ocorrido aos trancos e barrancos, uma vez que a eletrônica de grafeno expandiria naturalmente a funcionalidade da microeletrônica tradicional.