Premiul Nobel pentru descoperirea agrafenului. Cum au primit premiul Nobel „fizicienii junk” din Rusia

Numele laureaților Premiului Nobel pentru fizică în 2010 au fost anunțate la Stockholm. Erau profesorul Andrei Geim și profesorul Konstantin Novoselov. Ambii laureați, care lucrează la Universitatea Britanică din Manchester, provin din Rusia. Andrey Geim, în vârstă de 52 de ani, este cetățean al Țărilor de Jos, iar Konstantin Novoselov, în vârstă de 36 de ani, are cetățenie rusă și britanică.

Cel mai prestigios premiu științific din lume, în valoare de aproximativ 1,5 milioane de dolari anul acesta, a fost acordat oamenilor de știință pentru descoperirea grafenului, un material ultra-subțire și extrem de durabil, care este o peliculă de carbon grosime de un atom.

Editorul științific al revistei Around the World, Alexander Sergeev, vorbește la Radio Liberty despre dificultățile care au apărut în descoperirea grafenului și care este aplicarea practică a acestui material:

Însuși faptul că oamenii de știință au obținut grafen este remarcabil. Teoretic, grafenul a fost prezis cu o jumătate de secol înainte de sinteza sa. La școală, toată lumea a studiat structura grafitului - acesta este un creion obișnuit. Atomul de carbon formează straturi subțiri care sunt stratificate în mod repetat unul peste altul. Fiecare strat este format din celule hexagonale care se potrivesc ca un fagure.

Problema a fost separarea unui strat de cele de deasupra și de dedesubt. Pentru un singur strat al acestui cristal bidimensional, numit așa pentru că nu are o a treia dimensiune, au fost prezise o grămadă de proprietăți fizice interesante diferite. Au fost efectuate multe experimente. Dar nu a fost posibil să se separe un strat de toate celelalte cu un rezultat stabil.

Andrey Geim și Konstantin Novoselov au venit cu un mod în care au putut să selecteze acest strat și să se asigure mai târziu că este cu adevărat unul. Oamenii de știință au putut apoi să-i măsoare proprietățile fizice și să verifice dacă predicțiile teoretice erau mai mult sau mai puțin corecte. Acest experiment este foarte simplu: oamenii de știință au luat un creion obișnuit, o bucată de grafit. Folosind bandă adezivă, au îndepărtat stratul de grafit de pe acesta și apoi au început să-l dezlipească. Când au rămas 1-2 straturi, grafitul a fost transferat pe un substrat de siliciu.

De ce au eșuat toate experimentele anterioare? Pentru că (și acest lucru a fost prezis teoretic) filmul de grafen, un cristal de carbon bidimensional, este instabil la torsiune. De îndată ce se află într-o stare liberă, va începe imediat să se mototolească. Exista chiar și opinia că este imposibil să izolați grafenul. Munca oamenilor de știință a fost făcută în 2004, iar în 2009 s-a obținut deja o bucată de grafen. Adică o foaie de grafen de dimensiunea de aproape un centimetru. Și acum vorbim de zeci de centimetri.

- De ce este nevoie de acest grafen?

Toată electronica se mișcă acum în direcția reducerii dimensiunii elementelor - tranzistori, electrozi etc. Cu cât sunt mai mici elementele din interiorul procesorului, cu atât mai multe elemente pot fi plasate în el și procesorul poate fi asamblat mai puternic. În consecință, va efectua operații logice mai complexe. Ce poate fi mai subțire decât un strat atomic? Grafenul are proprietatea de a fi subțire.

În plus, conduce electricitatea. Și - aproape transparent. În același timp, este destul de puternic: este unul dintre cele mai rezistente materiale pe strat atomic. Practic nu permite trecerea altor substanțe prin el. Nici măcar gazul heliu nu poate pătrunde în grafen, deci este o acoperire complet fiabilă. Poate fi folosit, de exemplu, pe ecranele tactile deoarece electrodul transparent nu va ascunde imaginea. Puteți încerca să-l utilizați în electronică. Acum încearcă să dezvolte tranzistori bazați pe grafeni. Adevărat, aici sunt dificultăți. Grafenul are proprietăți anormale care fac oarecum dificilă utilizarea sa în tranzistori. Dar după ce am învățat cum să obținem straturi atomice, acestea sunt probabil obstacole deja depășite. Acesta este un material fundamental nou. Nu a mai fost niciodată așa ceva înainte. Cel mai subțire monostrat de conductor care poate fi utilizat în tehnologie și electronică.

Noii laureați Nobel au o biografie destul de complexă. Unul dintre ei este cetățean al Țărilor de Jos, celălalt are două pașapoarte: britanic și rus. Ei au lucrat, din câte știm, la un centru de cercetare din Manchester, Anglia. Devine știința internațională sau este soarta tristă a oamenilor de știință ruși să facă mari descoperiri doar dacă călătoresc în străinătate?

Pentru a vă angaja într-o muncă științifică serioasă, aveți nevoie nu numai de o bază materială și tehnică, ci și pur și simplu de liniște sufletească. Un om de știință nu trebuie să fie derutat de nicio întrebare. Andrey Geim a primit premiul Ig Nobel în urmă cu 10 ani pentru experimentele sale privind levitația magnetică a broaștelor. Premiul Ig Nobel este un anti-premiu comic pentru munca fără sens. Un om de știință are nevoie de o anumită libertate în activitățile sale. Atunci se nasc ideile. Astăzi am levitat broaște, iar mâine primesc grafene.

Dacă o persoană are astfel de condiții, atunci lucrează mai eficient. La urma urmei, ambii actuali laureați ai Nobel pentru fizică au studiat la MIPT (Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova - RS). Și foarte curând au plecat în Olanda, în Marea Britanie, pentru că atmosfera de lucru acolo este mai favorabilă pentru găsirea fondurilor științifice necesare desfășurării cercetării. Au rupt filmele de carbon cu bandă, dar au trebuit măsurate cu un microscop cu forță atomică. Deci trebuia să existe acest microscop. În Rusia, desigur, există, dar sunt mult mai greu de accesat.

Dacă spun că Rusia are o educație de bază bună, care îi permite să producă laureați ai Premiului Nobel, dar, în același timp, nu există o bază științifică de înaltă tehnologie pentru experimente, va fi oare acest lucru?

Ca în orice generalizare, există o oarecare întindere aici. Educația noastră nu mai este atât de bună și de lină, pentru că în multe locuri școlile științifice sunt distruse. Marea pauză în muncă din anii 90 și-a făcut efectul. Există câteva școli în Rusia unde totul merge încă foarte bine, dar există probleme cu echipamentul și efectuarea unor cercetări serioase și costisitoare. Acest echipament ajunge undeva: din când în când se fac achiziții destul de serioase, de exemplu, către Institutul Kurchatov. Dar cât de eficient este folosit este o mare întrebare. Prin urmare, în unele locuri există o școală științifică puternică, iar în altele - fonduri pentru tehnologie. Este destul de dificil să le schimbăm între ei din motive de prestigiu și birocrație. În Rusia, cercetarea de înaltă clasă este, de asemenea, posibilă, dar este mult mai dificil de realizat - există un mediu de lucru mai dificil aici.

Cercetarea științifică are mai multe fațete. Dar există anumite domenii pe care Comitetul Nobel le definește drept descoperire? Pentru ce este mai ușor să obții un premiu Nobel? Sau nu există astfel de direcții?

M-am uitat la lista câștigătorilor Premiului Nobel pentru fizică în ultimii 20 de ani. Nu există o tendință clară. Probabil că există destul de multe premii în domeniul fizicii particulelor elementare și al interacțiunilor fizice fundamentale. Acest lucru este de înțeles - fac niște lucrări destul de interesante acolo. Dar aici trebuie să luăm în considerare un punct important. Se spune adesea că pentru a câștiga un premiu Nobel, nu este suficient să faci o muncă inovatoare. Mai avem de trăit până când ea va fi apreciată. Prin urmare, Premiul Nobel este de obicei acordat persoanelor de vârstă foarte înaintată. Din acest punct de vedere, Premiul Nobel pentru Fizică de anul acesta este o excepție de la regulă. Novoselov are acum 36 de ani. În ultimii 20 de ani, nu a existat un astfel de caz printre premiile de fizică și, după părerea mea, nu s-a întâmplat deloc! În ultimii 8 ani, niciun om de știință sub 50 de ani nu a primit un premiu Nobel și mulți l-au primit la 70 sau chiar 80 de ani pentru munca depusă cu zeci de ani în urmă.

Actualul Premiu Nobel a fost acordat cu încălcarea regulilor. Poate că Comitetul Nobel a considerat că premiul devine gerontologic și că vârsta de primire ar trebui să fie redusă. Ultima dată când premiul pentru fizică a fost acordat la o vârstă „tânără” a fost în 2001. Laureații aveau între 40 și 50 de ani.

Acum, aparent, accentul s-a pus pe munca experimentală reală. Deci, deși premiul Nobel nu include astronomia, în ultimii 10 ani au existat două premii foarte importante în astrofizică. Au fost premii la fizica energiilor înalte și la fizica particulelor elementare, la fizica stării solide, la fizica materiei condensate - adică solide, lichide și alte stări în care atomii sunt aproape unul de celălalt. Aproape toate aceste lucrări sunt, într-un fel sau altul, legate de fizica cuantică.

- De ce anume teoria cuantică? Are aceasta legătură cu unele preferințe personale ale membrilor Comitetului Nobel? Sau acesta este cu adevărat viitorul științific apropiat?

Motivul este foarte simplu. De fapt, toată fizica de astăzi, cu excepția teoriei gravitației, este cuantică. Aproape tot ceea ce se face în domeniul fizicii, cu excepția anumitor direcții secundare, îmbunătățiri și descoperiri care au fost în trecut, se bazează pe fizica cuantică. Numai gravitația nu a cedat încă acestei „cuantizări”. Și tot ceea ce privește fundamentul fizicii este teoria cuantică și teoria cuantică a materiei.

Cine este el? Novoselov Konstantin Sergheevici!

Biografie

Celebrul om de știință s-a născut în orașul Nijni Tagil, regiunea Sverdlovsk, la 23 august 1974, în familia unui inginer și a unui profesor de engleză la școala nr. 39, al cărei fondator și director a fost cândva bunicul său, Viktor Konstantinovici Novoselov.

În clasa a VI-a, Konstantin dezvăluie abilități extraordinare și ocupă primul loc la olimpiada regională de fizică, iar puțin mai târziu, la Olimpiada All-Union, își repetă succesul, intrând în top zece. În 1991 a absolvit Școala suplimentară de fizică și tehnologie pentru corespondență și, în același an, a devenit student la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova. Studiază în specialitatea „nanotehnologie” la Facultatea de Electronică Fizică și Cuantică și absolvă cu distincție institut, după care este angajat la Institutul de Probleme de Tehnologie Microelectronica al Academiei Ruse de Științe (Institutul pentru Probleme de Microelectronică). Tehnologia Academiei Ruse de Științe) din Cernogolovka. Acolo și-a încheiat studiile postuniversitare sub îndrumarea lui Yuri Dubrovsky.

In strainatate

În 1999, Konstantin Sergeevich Novoselov, un fizician cu o reputație deja consolidată, s-a mutat în Țările de Jos. Acolo, la Universitatea din Nijmegen, lucrează împreună cu Andrei Geim. Din 2001, oamenii de știință lucrează împreună la Universitatea din Manchester. În 2004 și-a luat titlul de doctor în filozofie (supervizor Jan-Kees Maan).

În prezent, Konstantin Sergeevich Novoselov este profesor la Royal Society și profesor de științe fizice și matematice la Universitatea din Manchester și are dublă cetățenie (Rusia și Marea Britanie). În prezent locuiește în Manchester.

Cercetare

Pentru ce este faimos Konstantin Sergeevich Novoselov? Potrivit agenției de analiză Thomson Reuters, fizicianul ruso-britanic este unul dintre cei mai des citați oameni de știință. Din stiloul lui au venit 190 de articole științifice. Cu toate acestea, cea mai semnificativă cercetare a sa este, desigur, grafenul. Mulți au auzit acest cuvânt, care pare simplu și familiar. Tehnologia este cu adevărat laconică și elegantă, ca totul ingenios. Studii ulterioare pot conduce omenirea în era dispozitivelor mobile și computerizate ultrarapide și ultrasubțiri, mașinilor electrice și structurilor durabile, dar foarte ușoare.

Premii

Când Konstantin Sergeevich Novoselov a început să lucreze la Universitatea din Manchester, colegul său principal din Rusia a devenit supervizorul său. Până atunci, el a fost implicat în cercetare în acest domeniu de mult timp și a reușit să reproducă mecanismul de aderență al labelor gecko, și pe baza ei a creat bandă adezivă, pe care fizicienii au folosit-o ulterior în lucrul cu grafenul. Înainte de aceasta, Geim a fost ajutat de un anumit student chinez, dar, potrivit fizicianului însuși, lucrările au început să progreseze abia după ce Konstantin Sergeevich Novoselov s-a pus pe treabă. Premiul Nobel le-a fost acordat în octombrie 2010. Novoselov este acum cunoscut drept cel mai tânăr laureat al premiului Nobel pentru fizică (în ultimii 37 de ani); în plus, în prezent este singurul om de știință dintre câștigătorii premiului Nobel născuți după 1970.

În același 2010, Novoselov a primit titlul de Comandant al Ordinului Leului Olandez pentru contribuția sa semnificativă la știință în Țările de Jos, iar puțin mai târziu, în 2011, un decret al Reginei Elisabeta a II-a l-a făcut cavaler licențiat, deja pentru contribuția sa la știință în Marea Britanie. Ceremonia de cavaler a avut loc puțin mai târziu, în primăvara lui 2012, așa cum era de așteptat, la Palatul Buckingham. A fost condus de fiica Reginei, Prințesa Anne.

Trebuie spus că Konstantin Sergeevich Novoselov, ale cărui activități științifice și sociale sunt foarte extinse, a primit un alt premiu prestigios pentru cercetarea grafenului, devenind laureatul Premiului Eurofizică în 2008. Se acordă o dată la doi ani; printre primitorii săi au fost doar treisprezece laureați ai premiului Nobel. Premiul constă într-o recompensă în numerar și un certificat corespunzător. A primit și Premiul Kurti, dar nu pentru grafen, ci pentru o listă de realizări în lucrul cu temperaturi scăzute și câmpuri magnetice.

Despre familie și viață

Konstantin Novoselov este căsătorit fericit cu soția sa Irina. Deși este și rusoaică, oamenii de știință s-au întâlnit în străinătate, în Olanda. Irina, originară din Vologda, este angajată în cercetări în domeniul microbiologiei (și-a susținut disertația la Sankt Petersburg). Cuplul are două fiice, gemene Sophia și Vika, născute în 2009.

Konstantin Sergeevich, în propriile sale cuvinte, nu este genul de tată care stă în laborator săptămâni întregi, ratând copilăria propriilor copii. Pentru el, a inventa cel mai mic tranzistor din lume și a-și învăța fiica să numere până la douăzeci și șapte este ceva la fel. „Nimeni nu a mai făcut asta până acum”, spune el.

La rândul lor, părinții lui nu au încercat niciodată să limiteze interesele fiului lor. Au fost întotdeauna siguri că fiul lor este foarte talentat și, așa cum spune însuși fizicianul, nu au fost surprinși când a primit Premiul Nobel.

Într-un interviu pentru revista Esquire, el a recunoscut că visează să învețe să cânte la pian. Învață, însă, după recunoașterea lui, rezultatele sunt încă mediocre.

Despre URSS

Konstantin Sergeevich s-a născut în URSS și a primit o educație excelentă. El însuși admite că cunoștințe atât de profunde pot fi obținute în puține locuri. Dar nu are de gând să se întoarcă în Rusia. Poate tocmai din această cauză unii jurnalişti îi reproşează involuntar lipsa de patriotism. La asta, omul de știință răspunde că nu e vorba de bani, ci doar că în Marea Britanie este mai calm să lucrezi, pentru că nimeni nu se amestecă în treburile tale.

Novoselov ia viața cu ușurință și nu se oprește asupra eșecurilor - aceasta este una dintre regulile sale de bază. Dacă apar dificultăți în relațiile cu oamenii, el încearcă să nu ducă la o despărțire, dar, dacă aceasta este inevitabil, lasă ultimul cuvânt celuilalt. Celebrul fizician are multe dintre problemele obișnuite din viață, de exemplu, ar fi dispus să cheltuiască orice bani doar pentru a obține ceva timp liber.

Dar el nu își împarte viața în muncă și odihnă; poate că aceasta este cheia productivității omului de știință. Acasă se gândește la fizică, iar la serviciu pur și simplu își relaxează sufletul.

Ce este grafenul

În ciuda tuturor realizărilor din domeniul fizicii, munca principală a lui Novoselov a fost și rămâne în continuare grafenul. Această structură, pe care compatrioții noștri au fost primii care au obținut-o în condiții de laborator, este o „rețea” bidimensională de atomi de carbon grosime de doar un atom. Novoselov însuși susține că tehnologia nu este complicată și oricine poate crea grafen, aproape din mijloace improvizate. El spune că tot ce trebuie să faceți este să cumpărați grafit bun, deși puteți folosi chiar creioane și să cheltuiți puțin pe napolitane și bandă de silicon. Gata, kitul pentru crearea grafenului este gata! Astfel, materialul nu va deveni proprietatea exclusiv a marilor corporații; Novoselov și Game l-au dat literalmente întregii lumi.

Proprietăți uimitoare

Fizicianul este surprins și de proprietățile electronice ale acestui material. Potrivit acestuia, grafenul poate fi folosit în tranzistori, ceea ce unele companii încearcă deja să facă, înlocuind piese convenționale în dispozitivele mobile.

Potrivit lui Novoselov, grafenul va revoluționa tehnologia. O parte integrantă a oricărui film SF sunt gadget-urile incredibile, transparente, subțiri, indestructibile și cu o funcționalitate deosebită. Dacă grafenul înlocuiește treptat siliciul învechit, tehnologiile din cinema vor apărea în viață.

Ce altceva este remarcabil despre cercetările lui Novoselov și Geim? Faptul că au migrat aproape instantaneu de la laboratoare la liniile de asamblare și chiar mai mult, s-a dovedit a fi foarte util deja în primii ani.

Tehnologii viitoare

Unde se folosește grafenul acum? S-ar părea că un astfel de material recent descoperit nu ar putea fi încă distribuit pe scară largă și, într-o oarecare măsură, acest lucru este adevărat. Aproape toate dezvoltările sunt încă de natură experimentală și nu au fost lansate în producția de masă. Cu toate acestea, acum încearcă să folosească acest material în toate domeniile, care, poate, poate fi numită o adevărată „febră grafenă”.

Grafenul în sine, în ciuda greutății sale ușoare și a transparenței aproape complete (absoarbe 2% din lumina transmisă, exact la fel ca sticla obișnuită pentru fereastră), materialul este foarte durabil. Studii recente ale oamenilor de știință americani au arătat că grafenul se amestecă bine cu plasticul. Rezultă un material super-puternic care poate fi folosit în orice, de la mobilă și telefoane mobile până la știința rachetelor.

Din grafen au fost deja create prototipuri de baterii pentru mașini electrice. Se caracterizează prin capacitate mare și timp scurt de încărcare. Poate așa se va rezolva problema cu mașinile electrice, iar transportul va deveni ieftin și ecologic.

Grafenul este folosit în dezvoltarea de noi panouri tactile pentru telefoane. Dacă senzorii clasici pot funcționa doar pe o suprafață plană, atunci grafenul nu are acest dezavantaj, deoarece poate fi îndoit în orice fel. În plus, conductivitatea electrică ridicată va face răspunsul minim.

În aviație

Corpurile de rachete și avioane realizate cu grafen vor fi de câteva ori mai ușoare, ceea ce va reduce considerabil costurile cu combustibilul. Zborurile vor deveni atât de ieftine încât toată lumea își va putea permite o călătorie în cealaltă parte a pământului. Dar, pe lângă transportul de pasageri, acest lucru va afecta, desigur, și traficul de marfă. Aprovizionarea către colțurile îndepărtate ale planetei va deveni mult mai bună, ceea ce înseamnă că mai mulți oameni vor locui și vor lucra acolo.

MOSCOVA, 5 octombrie - RIA Novosti. Premiul Nobel pentru fizică din 2010 a devenit o vacanță pentru două țări deodată, pentru patria laureaților - Rusia și pentru casa lor actuală - Marea Britanie. Academicieni suedezi au acordat cel mai înalt premiu științific lui Andrei Geim și Konstantin Novoselov pentru descoperirea unei forme bidimensionale de carbon - grafen, făcându-i pe oamenii de știință ruși să deplângă exodul de creiere și pe cei britanici să spere în menținerea finanțării științei.

„Este păcat că Geim și Novoselov și-au făcut descoperirile în străinătate”, a spus RIA Novosti, șeful Departamentului de Fizică a polimerilor și cristalelor de la Universitatea de Stat din Moscova, academician al Academiei Ruse de Științe Alexey Khohlov.

„Guvernul ar trebui să învețe din decizia Comitetului Nobel”, a spus profesorul Martin Rees, președintele Societății Regale, comentând despre acordarea Premiului Nobel pentru fizică. El a amintit că mulți oameni de știință, inclusiv cei străini, care lucrează în Marea Britanie, pot pleca pur și simplu în alte țări dacă finanțarea este redusă.

Guvernul britanic va dezvălui planuri pentru reduceri majore ale cheltuielilor guvernamentale pe 20 octombrie. Știința și învățământul superior sunt de așteptat să fie unul dintre domeniile cele mai afectate de reduceri.

Absolvenții MIPT Geim și Novoselov, care lucrează la Manchester, au primit premiul „pentru experimente inovatoare în studiul materialului bidimensional grafen”. Vor împărți între ei 10 milioane de coroane suedeze (aproximativ un milion de euro). Ceremonia de premiere va avea loc la Stockholm pe 10 decembrie, ziua morții fondatorului său, Alfred Nobel.

Grafenul a devenit primul material bidimensional din istorie, constând dintr-un singur strat de atomi de carbon interconectați printr-o structură de legături chimice, care amintește în geometria sa de structura unui fagure de miere. Multă vreme s-a crezut că o astfel de structură era imposibilă.

"Se credea că astfel de cristale bidimensionale cu un singur strat nu ar putea exista. Ele trebuie să-și piardă stabilitatea și să se transforme în altceva, pentru că acesta este de fapt un avion fără grosime", fostul șef al laureaților, directorul Institutului pentru Probleme. de Tehnologie Microelectronică și Materiale extrem de pure a Academiei Ruse de Științe (IPTM) a declarat pentru RIA Novosti Vyacheslav Tulin.

Cu toate acestea, materialul „imposibil”, după cum se dovedește, are proprietăți fizice și chimice unice care îl fac indispensabil într-o varietate de domenii. Grafenul conduce electricitatea, precum și cuprul; poate fi folosit pentru a crea ecrane tactile, celule solare și dispozitive electronice flexibile.

"Aceasta este o viitoare revoluție în microelectronică. Dacă computerele sunt acum gigaherți, atunci vor exista teraherți și așa mai departe. Tranzistorii și toate celelalte elemente ale circuitelor electronice vor fi create pe baza grafenului", Alexey Fomichev, profesor la MIPT. departamentul de electronică cuantică, a declarat pentru RIA Novosti.

Grafenul a găsit deja un domeniu de aplicare: celulele solare fotovoltaice. "Anterior, în producția de celule solare, oxizii de indiu dopați cu staniu erau utilizați ca electrod transparent. Dar s-a dovedit că mai multe straturi de grafen sunt mult mai eficiente", a spus Alexander Vul, șeful laboratorului de fizica structurilor cluster. la Institutul Fizico-Tehnic Ioffe din Sankt Petersburg al Academiei Ruse de Științe.

În primul rând de la Fizică și Tehnologie

Andrei Geim și Konstantin Novoselov sunt primii absolvenți ai Institutului de Fizică și Tehnologie din Moscova care au primit Premiul Nobel: înainte de aceasta, fondatorii și angajații MIPT - Pyotr Kapitsa, Nikolai Semenov, Lev Landau, Igor Tamm, Alexander Prokhorov, Nikolai Basov , Vitaly Ginzburg și Alexey Abrikosov. Geim a absolvit Facultatea de Fizică Generală și Aplicată (GPPF) în 1982, Novoselov a absolvit Facultatea de Fizică și Electronică Cuantică (FFQE) în 1997. Ambii absolvenți au primit diplome de onoare.

"Aceasta este o știre super. Suntem foarte mulțumiți de decizia Comitetului Nobel. MIPT a trimis deja felicitări noilor laureați ai Premiului Nobel", a spus rectorul MIPT Nikolai Kudryavtsev, marți, pentru RIA Novosti.

Potrivit rectorului, personalul „și-a ridicat dosarele personale din arhivă și s-a convins că aceștia sunt studenți excepționali”. Totodată, Andrei Geim nu a intrat prima dată în institut, lucrând la o fabrică timp de un an, ci „a dat dovadă de perseverență” și a devenit student la MIPT.

"Pe parcursul întregii perioade de studii la FOPF, Geim a primit cele mai înalte recenzii de la profesori. Iar activitatea de absolvire a lui Geim a fost apreciată excepțional de înalt de către comisia de absolvire", a spus șeful MIPT.

Un student al grupului 152 al Facultății de Electronică Fizică și Cuantică, Konstantin Novoselov, după cum a remarcat Kudryavtsev, „a participat la cursuri neregulat, dar a promovat toate sarcinile cu succes și la timp”.

"Și recenziile profesorilor despre Novoselov sunt, de asemenea, cele mai înalte. Aceasta înseamnă că era atât de talentat încât, în general, nu trebuia să participe la toate cursurile", a comentat rectorul MIPT pe documentele de arhivă.

De la Shnobel la Nobel

Colegul jocului, Constantin Novoselov, a devenit cel mai tânăr laureat al Premiului Nobel cu cetățenie rusă: fizicianul în vârstă de 36 de ani este cu șase ani mai tânăr decât colegul său sovietic Nikolai Basov, care, la 42 de ani, a primit premiul în 1964 pentru munca sa în domeniul electronicii cuantice, care a dus la crearea de emițători și amplificatoare bazate pe principiul laser-maser .

Cel mai tânăr câștigător al Premiului Nobel din istorie a fost Lawrence Bragg, care la 25 de ani a împărțit premiul pentru fizică cu tatăl său, William Henry Bragg. Următoarele patru poziții pe lista celor mai tineri laureați din istorie sunt ocupate și de fizicieni: Werner Heisenberg, Zongdao Li, Carl Anderson și Paul Dirac au primit premiul la 31 de ani.

Konstantin Novoselov va intra însă în istoria premiului ca primul reprezentant al generației născute în anii 1970. Potrivit site-ului web al premiului, lista laureaților din deceniul precedent include fizicianul Eric Cornell, biologii Carol Greider și Craig Mello, precum și președintele american Barack Obama, care a primit Premiul Nobel pentru Pace. Nu există nimeni mai tânăr de 1961, cu excepția lui Novoselov, pe lista laureaților.

De la editor: atingând subiectul modernizării economiei ruse și a dezvoltării tehnologiilor înalte în țara noastră, ne-am propus nu numai să atragem atenția cititorilor asupra deficiențelor, ci și să vorbim despre exemple pozitive. Mai mult, există așa și destul de multe. Săptămâna trecută am vorbit despre dezvoltarea pilelor de combustie în Rusia, iar astăzi vom vorbi despre grafen, pentru studierea proprietăților cărora „foștii noștri oameni” au primit recent un premiu Nobel. Se pare că în Rusia, sau mai precis în Novosibirsk, lucrează foarte serios la acest material.

Siliciul, ca bază a microelectronicii, a câștigat ferm o poziție în spațiul high-tech, iar acest lucru nu s-a întâmplat întâmplător. În primul rând, este relativ ușor să conferiți proprietățile dorite siliciului. În al doilea rând, este cunoscută de știință de mult timp și a fost studiat în larg. Al treilea motiv este că s-au investit sume cu adevărat enorme de bani în tehnologia siliciului și puțini oameni vor îndrăzni să parieze pe noul material acum. La urma urmei, acest lucru va necesita reconstruirea unui sector industrial uriaș. Sau, mai degrabă, construiește-l aproape de la zero.

Cu toate acestea, există și alți concurenți pentru conducere ca material semiconductor. De exemplu, grafenul, care a devenit foarte la modă după ce a fost acordat Premiul Nobel pentru studierea proprietăților sale. Există într-adevăr motive pentru a trece la acesta de la siliciu, deoarece grafenul are o serie de avantaje semnificative. Dar dacă vom obține în cele din urmă „electronică pe grafen” nu este încă clar, deoarece alături de avantaje există și dezavantaje.

Pentru a vorbi despre perspectivele grafenului în microelectronică și proprietățile sale unice, ne-am întâlnit la Novosibirsk cu cercetătorul-șef de la Institutul de Chimie Anorganică care poartă numele. A.V. Nikolaev SB RAS, doctor în științe chimice, profesor Vladimir Fedorov.

Alla Arshinova: Vladimir Efimovici, care este poziția actuală a siliciului în microelectronică?

Vladimir Fedorov: Siliciul a fost folosit în industrie de foarte mult timp ca principal material semiconductor. Faptul este că este ușor dopat, adică i se pot adăuga atomi de diferite elemente, care modifică în mod specific proprietățile fizice și chimice. Această modificare a siliciului de înaltă puritate face posibilă obținerea de materiale semiconductoare de tip n sau p. Astfel, dopajul direcțional al siliciului reglează proprietățile funcționale ale materialelor care sunt importante pentru microelectronică.

Siliciul este cu adevărat un material unic și acesta este motivul pentru care s-au investit atât de mult efort, bani și resurse intelectuale în el. Proprietățile fundamentale ale siliciului au fost studiate atât de detaliat încât există o credință larg răspândită că pur și simplu nu poate exista un înlocuitor pentru acesta. Cu toate acestea, cercetările recente asupra grafenului au dat undă verde unei alte opinii, care este că noi materiale ar putea fi dezvoltate până la punctul în care ar putea înlocui siliciul.

Structura cristalină a siliciului

Astfel de discuții apar periodic în știință și, de regulă, ele sunt rezolvate numai după cercetări serioase. De exemplu, recent a existat o situație similară cu supraconductorii de înaltă temperatură. În 1986, Bednorz și Müller au descoperit supraconductivitatea în oxidul de bariu-lantan-cupru (pentru această descoperire au fost distinși cu Premiul Nobel în 1987 - la un an după descoperire!), care a fost detectată la temperaturi semnificativ mai mari decât valorile caracteristic timpului cunoscut anterior al materialelor supraconductoare. Mai mult decât atât, structura compușilor supraconductori cuprați diferă semnificativ de supraconductorii la temperatură joasă. Apoi, o avalanșă de studii ale sistemelor înrudite a condus la producerea de materiale cu o temperatură de tranziție supraconductoare de 90 K și mai mare. Acest lucru a însemnat că în loc de heliu lichid scump și capricios, azotul lichid ar putea fi folosit ca agent de răcire - există o mulțime de el în formă gazoasă în natură și, în plus, este semnificativ mai ieftin decât heliul.

Dar, din păcate, această euforie a dispărut curând după o cercetare atentă a noilor supraconductori de temperatură înaltă. Aceste materiale policristaline, ca și alți oxizi complecși, sunt ca ceramica: sunt fragile și neductile. S-a dovedit că în interiorul fiecărui cristal supraconductivitatea are parametri buni, dar în probele compacte curenții critici sunt destul de mici, ceea ce se datorează contactelor slabe dintre boabele materialului. Joncțiunile Josephson slabe dintre boabele supraconductoare nu permit producerea unui material (de exemplu, un fir) cu caracteristici supraconductoare ridicate.

Baterie solară pe bază de siliciu policristalin

Aceeași situație se poate întâmpla și cu grafenul. În prezent, i s-au găsit proprietăți foarte interesante, dar mai rămân cercetări ample de făcut pentru a răspunde definitiv la întrebarea posibilității de a produce acest material la scară industrială și de a-l folosi în nanoelectronică.

Alla Arshinova: Vă rugăm să explicați ce este grafenul și cum diferă de grafit?

Vladimir Fedorov: Grafenul este un strat monoatomic format din atomi de carbon, care, ca și grafitul, are o rețea în formă de fagure. Iar grafitul este, în consecință, straturi de grafen stivuite unul peste altul. Straturile de grafen din grafit sunt legate între ele prin legături van der Waals foarte slabe, motiv pentru care este posibil să le despărțim unul de celălalt. Când scriem cu un creion, acesta este un exemplu în care eliminăm straturi de grafit. Adevărat, urma unui creion rămasă pe hârtie nu este încă grafen, ci o structură multistrat de grafen.

Acum fiecare copil poate pretinde serios că nu doar transferă hârtie, ci creează o structură complexă cu mai multe straturi de grafen.

Dar dacă este posibilă împărțirea unei astfel de structuri într-un singur strat, atunci se obține grafenul adevărat. Împărțiri similare au fost efectuate de laureații Nobel pentru fizică de anul acesta, Geim și Novoselov. Ei au reușit să despartă grafitul folosind bandă și, după ce au studiat proprietățile acestui „strat de grafit”, s-a dovedit că are parametri foarte buni pentru utilizare în microelectronică. Una dintre proprietățile remarcabile ale grafenului este mobilitatea ridicată a electronilor. Ei spun că grafenul va deveni un material indispensabil pentru calculatoare, telefoane și alte echipamente. De ce? Pentru că în acest domeniu există tendința de a accelera procedurile de prelucrare a informațiilor. Aceste proceduri sunt legate de viteza ceasului. Cu cât este mai mare frecvența de operare, cu atât mai multe operațiuni pot fi procesate pe unitatea de timp. Prin urmare, viteza purtătorilor de încărcare este foarte importantă. S-a dovedit că purtătorii de sarcină din grafen se comportă ca niște particule relativiste cu masă efectivă zero. Aceste proprietăți ale grafenului dau cu adevărat speranță că va fi posibil să se creeze dispozitive capabile să funcționeze la frecvențe teraherți, care sunt inaccesibile siliciului. Aceasta este una dintre cele mai interesante proprietăți ale materialului.

Laureații Nobel pentru fizică 2010 Andre Geim și Konstantin Novoselov

Filmele flexibile și transparente pot fi obținute din grafen, care este, de asemenea, foarte interesant pentru o serie de aplicații. Un alt plus este că este un material foarte simplu și foarte ușor, mai ușor decât siliciul; În plus, există o mulțime de carbon în natură. Prin urmare, dacă găsesc cu adevărat o modalitate de a utiliza acest material în tehnologiile înalte, atunci, desigur, va avea perspective bune și, poate, va înlocui în cele din urmă siliciul.

Dar există o problemă fundamentală asociată cu stabilitatea termodinamică a conductorilor de dimensiuni joase. După cum se știe, solidele sunt împărțite în diferite sisteme spațiale; de exemplu, sistemul 3D (tridimensional) include cristale volumetrice. Sistemele bidimensionale (2D) sunt reprezentate de cristale stratificate. Și structurile în lanț aparțin unui sistem unidimensional (1D). Deci, structurile de dimensiuni joase - lanțuri 1D și 2D stratificate cu proprietăți metalice nu sunt stabile din punct de vedere termodinamic; pe măsură ce temperatura scade, ele tind să se transforme într-un sistem care își pierde proprietățile metalice. Acestea sunt așa-numitele tranziții metal-dielectrice. Cât de stabile vor fi materialele grafen în unele dispozitive rămâne de văzut. Desigur, grafenul este interesant, atât din punct de vedere al proprietăților electrofizice, cât și al celui mecanic. Se crede că stratul monolitic de grafen este foarte puternic.

Alla Arshinova: Mai puternic decât diamantul?

Vladimir Fedorov: Diamantul are legături tridimensionale și este mecanic foarte puternic. În grafit, legăturile interatomice din plan sunt aceleași, poate chiar mai puternice. Cert este că din punct de vedere termodinamic, diamantul ar trebui să se transforme în grafit, deoarece grafitul este mai stabil decât diamantul. Dar în chimie există doi factori importanți care controlează procesul de transformare: stabilitatea termodinamică a fazelor și cinetica procesului, adică viteza de transformare a unei faze în alta. Așadar, diamantele se află de secole în muzeele din întreaga lume și nu vor să se transforme în grafit, deși ar trebui. Poate că peste milioane de ani se vor transforma în continuare în grafit, deși ar fi mare păcat. Procesul de transformare a diamantului în grafit la temperatura camerei are loc într-un ritm foarte lent, dar dacă încălziți diamantul la o temperatură ridicată, atunci bariera cinetică va fi mai ușor de depășit și acest lucru se va întâmpla cu siguranță.

Grafit în forma sa originală

Alla Arshinova: Se știe de mult timp că grafitul poate fi împărțit în fulgi foarte subțiri. Care a fost atunci realizările laureaților Nobel pentru fizică în 2010?

Vladimir Fedorov: Probabil cunoașteți un astfel de personaj ca Petrik. După ce a înmânat Premiul Nobel lui Andrei Geim și Konstantin Novoselov, acesta a declarat că i s-a furat Premiul Nobel. Ca răspuns, Geim a spus că, într-adevăr, astfel de materiale erau cunoscute de foarte mult timp, dar au primit premiul pentru studierea proprietăților grafenului și nu pentru descoperirea unei metode de producere a acestuia ca atare. De fapt, meritul lor este că au reușit să despartă straturile de grafen de foarte bună calitate din grafitul foarte orientat și să le studieze proprietățile în detaliu. Calitatea grafenului este foarte importantă, ca și în tehnologia cu siliciu. Când au învățat cum să obțină siliciu cu un grad foarte ridicat de puritate, abia atunci a devenit posibilă electronica bazată pe acesta. Situația este aceeași cu grafenul. Geim și Novoselov au luat grafit foarte pur cu straturi perfecte, au reușit să despartă un strat și i-au studiat proprietățile. Ei au fost primii care au demonstrat că acest material are un set de proprietăți unice.

Alla Arshinova: În legătură cu acordarea Premiului Nobel oamenilor de știință cu rădăcini rusești care lucrează în străinătate, compatrioții noștri, departe de știință, se întreabă dacă a fost posibil să se obțină aceleași rezultate aici, în Rusia?

Vladimir Fedorov: Probabil că era posibil. Tocmai au plecat la momentul potrivit. Primul lor articol, publicat în Nature, a fost în colaborare cu mai mulți oameni de știință de la Cernogolovka. Se pare că în această direcție au lucrat și cercetătorii noștri ruși. Dar nu a fost posibil să o completezi într-o manieră convingătoare. E păcat. Poate că unul dintre motive este condițiile mai favorabile pentru lucrul în laboratoare științifice străine. Am venit recent din Coreea și pot compara condițiile de muncă care mi s-au oferit acolo cu munca acasă. Așa că acolo nu eram preocupat de nimic, dar acasă eram plin de îndatoriri de rutină care luau mult timp și mă distrageau constant de la principalul lucru. Mi s-a oferit tot ce aveam nevoie, iar acest lucru a fost făcut cu o viteză uimitoare. De exemplu, dacă am nevoie de un fel de reactiv, scriu un bilet și mi-l aduc a doua zi. Bănuiesc că și laureații Nobel au condiții de muncă foarte bune. Ei bine, au avut destulă perseverență: au încercat de multe ori să obțină material bun și au obținut în sfârșit succesul. Au petrecut cu adevărat mult timp și efort în acest sens, iar în acest sens premiul a fost acordat pe merit.

Alla Arshinova: Care sunt mai exact avantajele grafenului în comparație cu siliciul?

Vladimir Fedorov: În primul rând, am spus deja că are o mobilitate ridicată a purtătorilor; după cum spun fizicienii, purtătorii de sarcină nu au masă. Masa încetinește întotdeauna mișcarea. Și în grafen, electronii se mișcă în așa fel încât pot fi considerați fără masă. Această proprietate este unică: dacă există alte materiale și particule cu proprietăți similare, acestea sunt extrem de rare. Pentru asta s-a dovedit a fi bun grafenul și, de asemenea, acesta se compară favorabil cu siliciul.

În al doilea rând, grafenul are o conductivitate termică ridicată, iar acest lucru este foarte important pentru dispozitivele electronice. Este foarte usoara, iar foaia de grafen este transparenta si flexibila si poate fi rulata. Grafenul poate fi foarte ieftin dacă sunt dezvoltate metode optime pentru producerea lui. La urma urmei, „metoda cu bandă scotch” demonstrată de Game și Novoselov nu este industrială. Această metodă produce mostre de foarte bună calitate, dar în cantități foarte mici, doar pentru cercetare.

Și acum chimiștii dezvoltă alte modalități de a produce grafen. La urma urmei, trebuie să obțineți foi mari pentru a pune în funcțiune producția de grafen. De asemenea, ne ocupăm de aceste probleme aici, la Institutul de Chimie Anorganică. Dacă învață să sintetizeze grafenul folosind metode care ar face posibilă producerea de material de înaltă calitate la scară industrială, atunci există speranță că va revoluționa microelectronica.

Alla Arshinova: După cum probabil că toată lumea știe deja din mass-media, o structură multistrat de grafen poate fi obținută folosind un creion și bandă adezivă. Care este tehnologia de producere a grafenului utilizată în laboratoarele științifice?

Vladimir Fedorov: Există mai multe metode. Unul dintre ele este cunoscut de foarte mult timp; se bazează pe utilizarea oxidului de grafit. Principiul său este destul de simplu. Grafitul este plasat într-o soluție de substanțe puternic oxidante (de exemplu, acid sulfuric, azotic etc.), iar atunci când este încălzit, începe să interacționeze cu agenții oxidanți. În acest caz, grafitul este împărțit în mai multe foi sau chiar straturi monoatomice. Dar monostraturile rezultate nu sunt grafen, ci sunt grafen oxidat, care conține grupări atașate de oxigen, hidroxil și carboxil. Acum sarcina principală este de a restabili aceste straturi în grafen. Deoarece oxidarea produce particule mici, acestea trebuie lipite într-un fel pentru a obține un monolit. Eforturile chimiștilor vizează înțelegerea modului în care este posibilă realizarea unei foi de grafen din oxid de grafit, a cărui tehnologie de producție este cunoscută.

Există o altă metodă, de asemenea, destul de tradițională și cunoscută de mult timp - aceasta este depunerea chimică în vapori cu participarea compușilor gazoși. Esența sa este următoarea. Mai întâi, substanțele de reacție sunt sublimate în fază gazoasă, apoi sunt trecute printr-un substrat încălzit la temperaturi ridicate, pe care sunt depuse straturile dorite. Odată ce este selectat un reactiv de pornire, cum ar fi metanul, acesta poate fi descompus în așa fel încât hidrogenul să fie desprins și carbonul să rămână pe substrat. Dar aceste procese sunt greu de controlat și este dificil să se obțină un strat ideal.

Grafenul este una dintre modificările alotropice ale carbonului

Există o altă metodă care acum începe să fie utilizată în mod activ - metoda de utilizare a compușilor intercalați. În grafit, ca și în alți compuși stratificati, molecule de diferite substanțe, numite „molecule invitate”, pot fi plasate între straturi. Grafitul este matricea „gazdei”, unde furnizăm „oaspeții”. Când oaspeții se intercalează în grilajul gazdei, straturile se separă în mod natural. Este exact ceea ce este necesar: procesul de intercalare descompune grafitul. Compușii intercalați sunt precursori foarte buni pentru producerea grafenului - trebuie doar să eliminați „oaspeții” de acolo și să împiedicați ca straturile să se prăbușească din nou în grafit. Un pas important în această tehnologie este procesul de obținere a dispersiilor coloidale care pot fi transformate în materiale grafen. La institutul nostru susținem exact această abordare. În opinia noastră, aceasta este cea mai avansată direcție, din care se așteaptă rezultate foarte bune, deoarece straturile izolate pot fi obținute cel mai simplu și eficient din diverse tipuri de compuși intercalați.

Structura grafenului este similară cu un fagure de miere. Și recent a devenit un subiect foarte „dulce”.

Există o altă metodă, care se numește sinteza chimică totală. Constă în faptul că „fagurii” necesari sunt asamblați din molecule organice simple. Chimia organică are un aparat sintetic foarte dezvoltat, care permite obținerea unei varietăți uriașe de molecule. Prin urmare, ei încearcă să obțină structuri de grafen prin sinteză chimică. Până acum, a fost posibilă crearea unei foi de grafen formată din aproximativ două sute de atomi de carbon.

Alte abordări ale sintezei grafenului sunt în curs de dezvoltare. În ciuda numeroaselor probleme, știința în această direcție avansează cu succes. Există un grad ridicat de încredere că obstacolele existente vor fi depășite, iar grafenul va aduce o nouă piatră de hotar în dezvoltarea tehnologiilor înalte.

Candidatul la științe chimice Tatyana Zimina.

Premiul Nobel pentru fizică din 2010 a fost acordat pentru cercetarea grafenului, un material bidimensional care prezintă proprietăți neobișnuite și, în același timp, foarte utile. Descoperirea sa promite nu numai noi tehnologii, ci și dezvoltarea fizicii fundamentale, care poate duce la noi cunoștințe despre structura materiei. Laureații acestui an ai Premiului Nobel pentru fizică sunt Andre Geim și Konstantin Novoselov, profesori la Universitatea din Manchester (Marea Britanie), absolvenți ai Institutului de Fizică și Tehnologie din Moscova.

Atomii de carbon din grafen formează un cristal bidimensional cu celule de formă hexagonală.

Laureat al Premiului Nobel pentru fizică 2010 Andre Geim (născut în 1958) este profesor la Universitatea din Manchester (Marea Britanie). Absolvent al Institutului de Fizică și Tehnologie din Moscova, și-a susținut teza de doctorat la Institutul de Fizică a Solidelor (Chernogolo)

Laureat al premiului Nobel pentru fizică 2010 Konstantin Novoselov (născut în 1974) este profesor la Universitatea din Manchester (Marea Britanie) și absolvent al Institutului de Fizică și Tehnologie din Moscova. A lucrat la Institutul pentru Probleme de Tehnologia Microelectronică și mai ales

Grafenul este una dintre formele alotrope ale carbonului. A fost obținut mai întâi prin decojirea treptată a straturilor subțiri de grafit. Grafenul se rulează pentru a forma un nanotub sau fullerenă.

Una dintre posibilele aplicații ale grafenului este crearea pe baza acesteia a unei noi tehnologii de descifrare a structurii chimice (secvențierea) ADN-ului. Oameni de știință de la Institutul de nanoștiință Kavli, Țările de Jos, sub conducerea profesorului Decke

Grafenul, un material gros de doar un atom, este construit dintr-o „plasă” de atomi de carbon aranjați, ca un fagure, în celule de formă hexagonală. Aceasta este o altă formă alotropă de carbon împreună cu grafit, diamant, nanotuburi și fullerenă. Materialul are o conductivitate electrică excelentă, o conductivitate termică bună, rezistență ridicată și este aproape complet transparent.

Ideea de a produce grafen „așezat” în rețeaua cristalină a grafitului, care este o structură stratificată formată din straturi slab legate de atomi de carbon. Adică, grafitul, de fapt, poate fi reprezentat ca un set de straturi de grafen (cristale bidimensionale) conectate între ele.

Grafitul este un material stratificat. Această proprietate a fost folosită de laureații Nobel pentru a produce grafen, în ciuda faptului că teoria a prezis (și experimentele anterioare au confirmat) că un material carbonic bidimensional nu poate exista la temperatura camerei - se va transforma în alte forme alotrope de carbon, de exemplu. , se pliază în nanotuburi sau fulerene sferice.

O echipă internațională de oameni de știință condusă de Andre Geim, care a inclus cercetători de la Universitatea din Manchester (Marea Britanie) și de la Institutul de Tehnologie Microelectronică și Materiale foarte pure (Chernogolovka, Rusia), a obținut grafen prin simpla îndepărtare a straturilor de grafit. Pentru a face acest lucru, banda obișnuită a fost lipită de cristalul de grafit și apoi îndepărtată: cele mai subțiri filme au rămas pe bandă, inclusiv cele cu un singur strat. (Cum să nu-ți amintești: „Totul ingenios este simplu”!) Ulterior, prin această tehnică au fost obținute și alte materiale bidimensionale, inclusiv supraconductorul de temperatură înaltă Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Acum această metodă se numește „exfoliere micromecanică”, vă permite să obțineți mostre de grafen de cea mai înaltă calitate, de până la 100 de microni.

O altă idee grozavă a viitorilor laureați Nobel a fost să depună grafen pe un substrat de oxid de siliciu (SiO2). Datorită acestei proceduri, grafenul a devenit posibil de observat la microscop (de la forța optică la forța atomică) și de studiat.

Primele experimente cu noul material au arătat că în mâinile oamenilor de știință nu se află doar o altă formă de carbon, ci o nouă clasă de materiale cu proprietăți care nu pot fi întotdeauna descrise din punctul de vedere al teoriei clasice a fizicii stării solide.

Materialul bidimensional rezultat, fiind un semiconductor, are conductivitate ca unul dintre cei mai buni conductori metalici - cuprul. Electronii săi au o mobilitate foarte mare, ceea ce se datorează particularităților structurii sale cristaline. Evident, această calitate a grafenului, împreună cu grosimea nanometrică a acestuia, îl face un material candidat care ar putea înlocui siliciul în electronice, inclusiv în viitoarele computere de mare viteză. Cercetătorii cred că o nouă clasă de nanoelectronice cu grafen cu o grosime a tranzistorului de bază de cel mult 10 nm (un tranzistor cu efect de câmp a fost deja obținut pe grafen) este chiar după colț.

Fizicienii lucrează acum pentru a crește și mai mult mobilitatea electronilor din grafen. Calculele arată că limitarea mobilității purtătorilor de sarcină în ea (și, prin urmare, conductivitatea) este asociată cu prezența impurităților încărcate în substratul de SiO2. Dacă învățăm să obținem filme de grafen „agățate liber”, atunci mobilitatea electronilor poate fi mărită cu două ordine de mărime - până la 2 × 10 6 cm 2 /V. Cu. Astfel de experimente sunt deja în curs de desfășurare și cu succes. Adevărat, un film bidimensional ideal în stare liberă este instabil, dar dacă este deformat în spațiu (adică nu este în mod ideal plat, ci, de exemplu, ondulat), atunci stabilitatea este asigurată. Dintr-un astfel de film este posibil să se realizeze, de exemplu, un sistem nanoelectromecanic - un senzor de gaz extrem de sensibil, capabil să răspundă chiar și la o singură moleculă găsită pe suprafața sa.

Alte posibile aplicații ale grafenului: în electrozii supercondensatori, în bateriile solare, pentru crearea diferitelor materiale compozite, inclusiv ultra-ușoare și de mare rezistență (pentru aviație, nave spațiale etc.), cu o conductivitate dată. Acestea din urmă pot varia enorm. De exemplu, a fost sintetizat materialul grafan, care, spre deosebire de grafen, este un izolator (vezi „Știința și viața” nr.). Acesta a fost obținut prin adăugarea unui atom de hidrogen la fiecare atom de carbon al materiei prime. Este important ca toate proprietățile materiei prime - grafenul - să poată fi restaurate prin simpla încălzire (recoace) a grafanului. În același timp, grafenul adăugat plasticului (un izolator) îl transformă într-un conductor.

Transparența aproape completă a grafenului sugerează utilizarea sa pe ecranele tactile și, dacă ne amintim „super-subțire”, atunci perspectivele pentru utilizarea sa în viitoare computere flexibile (care pot fi înfășurate ca un ziar), brățări de ceasuri și panourile luminoase sunt clare.

Dar orice aplicare a materialului necesită producția sa industrială, pentru care metoda de exfoliere micromecanică folosită în cercetările de laborator nu este potrivită. Prin urmare, un număr imens de alte moduri de a-l obține sunt acum dezvoltate în lume. Au fost deja propuse metode chimice pentru producerea grafenului din microcristale de grafit. Unul dintre ele, de exemplu, produce grafen încorporat într-o matrice polimerică. Depunerea de vapori și creșterea la presiune și temperatură înalte pe substraturi cu carbură de siliciu sunt, de asemenea, descrise. În acest din urmă caz, care este cel mai potrivit pentru producția industrială, se formează o peliculă cu proprietățile grafenului în timpul descompunerii termice a stratului de suprafață al substratului.

Valoarea noului material pentru dezvoltarea cercetării fizice este fantastic de mare. După cum subliniază Serghei Morozov (Institutul pentru Probleme de Tehnologie Microelectronică și Materiale de înaltă Puritate al Academiei Ruse de Științe), Andre Geim și Konstantin Novoselov în articolul lor publicat în 2008 în revista Uspekhi Fizicheskikh Nauk, „de fapt, grafenul deschide o nouă paradigmă științifică - starea solidă a fizicii „relativistă”, în care fenomenele relativiste cuantice (dintre care unele nu sunt realizabile nici măcar în fizica energiilor înalte) pot fi studiate acum în condiții obișnuite de laborator... Pentru prima dată într-o stare solidă experiment, este posibil să explorezi toate nuanțele și diversitatea electrodinamicii cuantice.” Adică, vorbim despre faptul că multe fenomene, al căror studiu a necesitat construirea unor acceleratoare uriașe de particule, pot fi acum studiate, înarmate cu un instrument mult mai simplu - cel mai subțire material din lume.

Comentariu de expert

Ne gândeam la un tranzistor cu efect de câmp...

Editorii i-au cerut colegului și coautorului lor să comenteze rezultatele muncii laureaților Nobel Andre Geim și Konstantin Novoselov. Șeful laboratorului Institutului pentru Probleme de Tehnologie de Microelectronică și Materiale extrem de pure al Academiei Ruse de Științe (Cernogolovka), Serghei Morozov, răspunde la întrebările corespondentei „Știință și viață”, Tatyana Zimina.

Cum a apărut ideea de a obține un material de carbon bidimensional? În legătură cu ce? Te așteptai la vreo proprietăți neobișnuite de la această formă de carbon?

Inițial, scopul nostru nu a fost să facem un material bidimensional dintr-un semimetal, am încercat să facem un tranzistor cu efect de câmp. Metalele, chiar și grosimea unui atom, nu sunt potrivite pentru aceasta - au prea mulți electroni liberi. Mai întâi, am obținut un număr numărabil de planuri atomice dintr-un cristal de grafit, apoi am început să facem plăci din ce în ce mai subțiri până când am obținut un strat monoatomic, adică grafen.

Grafenul a fost considerat de teoreticieni mult timp, de la mijlocul secolului al XX-lea. Ei au introdus, de asemenea, chiar numele de material de carbon bidimensional. A fost grafenul care a devenit punctul de plecare pentru teoreticieni (cu mult înainte de producerea sa experimentală) pentru a calcula proprietățile altor forme de carbon - grafit, nanotuburi, fulerene. Este, de asemenea, cel mai bine descris teoretic. Desigur, unele efecte descoperite acum experimental nu au fost pur și simplu luate în considerare de teoreticieni. Electronii din grafen se comportă ca niște particule relativiste. Dar nimeni nu s-a gândit vreodată să studieze cum ar arăta efectul Hall în cazul particulelor relativiste. Am descoperit un nou tip de efect Hall cuantic, care a fost una dintre primele confirmări clare ale unicității subsistemului electronic din grafen. Același lucru se poate spune despre paradoxul Klein inerent grafenului, cunoscut din fizica energiilor înalte. În semiconductori sau metale tradiționale, electronii pot trece prin bariere potențiale, dar cu o probabilitate semnificativ mai mică de unu. În grafen, electronii (cum ar fi particulele relativiste) pătrund chiar și prin bariere de potențial infinit de înalte fără reflexie.

De ce s-a crezut că un material carbonic bidimensional (grafen) ar fi instabil la temperatura camerei? Și cum ai reușit să o obții atunci?

Lucrările timpurii ale teoreticienilor care au arătat instabilitatea materialelor bidimensionale se refereau la un sistem bidimensional ideal infinit. Lucrările ulterioare au arătat că într-un sistem bidimensional, ordinea pe distanță lungă (care este inerentă corpurilor cristaline - Ed.) poate exista încă la o temperatură finită (temperatura camerei pentru un cristal este o temperatură destul de scăzută). Grafenul real în stare suspendată aparent nu este perfect plat, este ușor ondulat - înălțimea creșterilor din el este de ordinul unui nanometru. Aceste „unde” nu sunt vizibile la microscopul electronic, dar există și alte confirmări ale acestora.

Grafenul este un semiconductor, dacă am înțeles bine. Dar ici și colo găsesc definiția - semimetal. Cărei clase de materiale aparține?

Semiconductorii au o bandă interzisă de o anumită lățime. Pentru grafen este zero. Deci poate fi numit semiconductor cu bandgap zero sau semimetal cu suprapunere zero. Adică ocupă o poziție intermediară între semiconductori și semimetale.

Ici și colo în literatura populară se menționează alte materiale bidimensionale. A încercat grupul tău să obțină vreunul dintre acestea?

Literal, la un an de la obținerea grafenului, am obținut materiale bidimensionale din alte cristale stratificate. Acestea sunt, de exemplu, nitrura de bor, unele dicalcogenuri și supraconductorul de temperatură înaltă Bi-Sr-Ca-Cu-O. Nu au replicat proprietățile grafenului - unii dintre ei erau în general izolatori, alții aveau o conductivitate foarte scăzută. Multe grupuri de cercetare din întreaga lume studiază materialele bidimensionale. În prezent, folosim nitrură de bor ca substrat pentru structurile grafenului. S-a dovedit că acest lucru îmbunătățește radical proprietățile grafenului. De asemenea, dacă vorbim despre utilizarea grafenului pentru a crea materiale compozite, nitrura de bor este unul dintre principalii săi concurenți.

- Ce metode existente de producere a grafenului sunt cele mai promițătoare?

În opinia mea, acum există două astfel de metode principale. Primul este creșterea peliculelor din unele metale din pământuri rare, precum și a cuprului și a nichelului, la suprafață. Apoi, grafenul trebuie transferat pe alte substraturi și au învățat deja cum să facă acest lucru. Această tehnologie intră în stadiul de dezvoltare comercială.

O altă metodă este creșterea pe carbură de siliciu. Dar ar fi bine să înveți cum să crești grafenul pe siliciu, pe care sunt construite toate electronicele moderne. Apoi, dezvoltarea dispozitivelor cu grafen ar merge cu salturi și limite, deoarece electronica cu grafen ar extinde în mod natural funcționalitatea microelectronicii tradiționale.