Nobelova cena za objav agrafénu. Ako „odpadoví fyzici“ z Ruska získali Nobelovu cenu
V Štokholme oznámili mená laureátov Nobelovej ceny za fyziku za rok 2010. Boli to profesor Andrey Geim a profesor Konstantin Novoselov. Obaja laureáti, ktorí pôsobia na Britskej univerzite v Manchestri, pochádzajú z Ruska. Andrei Geim (52) je občanom Holandska, zatiaľ čo Konstantin Novoselov (36) má ruské a britské občianstvo.
Najprestížnejšie vedecké ocenenie na svete, ktoré je tento rok asi 1,5 milióna dolárov, získali vedci za objav grafénu, ultratenkého a mimoriadne odolného materiálu, ktorým je uhlíkový film hrubý jeden atóm.
O tom, aké ťažkosti sa vyskytli pri objavení grafénu a aká je praktická aplikácia tohto materiálu, Alexander Sergeev, vedecký redaktor časopisu Vokrug Sveta, hovorí vo vysielaní Rádia Liberty:
Pozoruhodný je už samotný fakt, že vedci získali grafén. Teoreticky bol grafén predpovedaný pol storočia pred jeho syntézou. V škole si každý prešiel štruktúrou grafitu – to je obyčajná ceruzka. Atóm uhlíka tvorí tenké vrstvy, ktoré sú opakovane vrstvené jedna na druhej. Každá vrstva pozostáva zo šesťuholníkových buniek, ktoré sa ako plást navzájom spájajú.
Problémom bolo oddeliť jednu vrstvu od tých nad a pod. Pre jednu vrstvu tohto dvojrozmerného kryštálu, nazývaného preto, že nemá tretí rozmer, bolo predpovedaných veľa zaujímavých fyzikálnych vlastností. Experimentov bolo veľa. Ale nebolo možné dosiahnuť oddelenie jednej vrstvy od všetkých ostatných so stabilným výsledkom.
Andrey Geim a Konstantin Novoselov prišli na spôsob, akým dokázali túto vrstvu izolovať a následne sa ubezpečiť, že je naozaj jedna. Vedcom sa potom podarilo zmerať jeho fyzikálne vlastnosti a overiť, že teoretické predpovede boli viac-menej správne. Tento experiment je veľmi jednoduchý: vedci vzali obyčajnú ceruzku, kúsok grafitu. Lepiacou páskou z nej odstránili vrstvu grafitu a potom ju začali odlepovať. Keď zostali 1-2 vrstvy, grafit sa preniesol na kremíkový substrát.
Prečo všetky predchádzajúce experimenty zlyhali? Pretože (a to bolo teoreticky predpovedané) grafénový film, dvojrozmerný uhlíkový kryštál, je nestabilný voči krúteniu. Akonáhle je vo voľnom stave, okamžite sa začne mrviť. Bol dokonca taký názor, že izolovať grafén je nemožné. Práca vedcov bola vykonaná v roku 2004 a v roku 2009 sa už podarilo získať kúsok grafénu. Teda hárok grafénu veľký takmer centimeter. A teraz sa bavíme o desiatkach centimetrov.
Prečo tento grafén vôbec potrebujeme?
Všetka elektronika sa teraz uberá smerom zmenšovania rozmerov prvkov – tranzistorov, elektród a pod. Preto sa v ňom budú vykonávať zložitejšie logické operácie. Čo môže byť tenšie ako jedna atómová vrstva? Grafén má vlastnosť tenkosti.
Okrem toho vedie elektrický prúd. A je takmer priehľadný. Zároveň je dostatočne pevný: je to jeden z najsilnejších materiálov na atómovú vrstvu. Prakticky neprechádza cez seba žiadne iné látky. Dokonca ani plynné hélium nemôže preniknúť cez grafén, takže ide o veľmi spoľahlivý povlak. Využitie nájde napríklad v dotykových displejoch, pretože priehľadná elektróda nebude zakrývať obraz. Môžete to skúsiť použiť v elektronike. Teraz sa snažia vyvinúť tranzistory na báze grafénov. Je pravda, že sú tu ťažkosti. Grafén má anomálne vlastnosti, ktoré trochu sťažujú jeho použitie v tranzistoroch. Ale potom, čo sme sa naučili, ako získať atómové vrstvy, sú to už pravdepodobne prekonateľné prekážky. Ide o zásadne nový materiál. Niečo také tu ešte nebolo. Najtenšia vodivá monovrstva, ktorá sa dá použiť v technike, v elektronike.
Noví laureáti Nobelovej ceny majú pomerne komplikovaný životopis. Jeden z nich je občanom Holandska, druhý má dva pasy: britský a ruský. Pracovali, pokiaľ je známe, vo vedeckom centre v anglickom Manchestri. Stáva sa veda medzinárodnou, alebo je smutným údelom ruských vedcov robiť veľké objavy, len ak odídu do zahraničia?
Na serióznu vedeckú prácu človek potrebuje nielen materiálnu a technickú základňu, ale aj pokoj. Vedec by sa nemal nechať zmiasť niektorými otázkami. Andrei Game pred 10 rokmi dostal Ig Nobelovu cenu za experimenty s magnetickou levitáciou žiab. Ig Nobelova cena je vtipná anticena za nezmyselnú prácu. Vedec potrebuje vo svojej práci určitú slobodu. Potom sa rodia nápady. Dnes som levitoval žaby a zajtra dostanem grafény.
Ak má človek takéto podmienky, potom pracuje efektívnejšie. Veď obaja súčasní laureáti Nobelovej ceny za fyziku študovali na Moskovskom inštitúte fyziky a technológie (Moscow Institute of Physics and Technology - RS). A veľmi skoro odišli do Holandska, do Veľkej Británie, pretože tam je pracovná atmosféra priaznivejšia na hľadanie vedeckých prostriedkov potrebných na vykonávanie výskumu. Uhlíkové filmy odtrhli lepiacou páskou, no bolo ich treba merať mikroskopom atómovej sily. Takže tento mikroskop musel byť. V Rusku, samozrejme, sú, ale sú oveľa ťažšie dostupné.
Ak poviem, že Rusko má dobré základné vzdelanie, ktoré umožňuje pestovať nositeľov Nobelovej ceny, no zároveň tu neexistuje seriózna vedecká základňa špičkových technológií pre experimenty, bola by to pravda?
Ako pri každom zovšeobecnení, aj tu existuje určitý úsek. So školstvom už na tom nie sme tak dobre a hladko, lebo na mnohých miestach sa ničia vedecké školy. V tvorbe 90. rokov nastal veľký zlom. V Rusku sú izolované školy, kde všetko stále ide veľmi dobre, ale sú tu problémy s vybavením a vykonávaním vážneho drahého výskumu. Niekde toto vybavenie končí: z času na čas sa uskutočňujú celkom vážne nákupy, napríklad do Kurchatovho inštitútu. Ale ako efektívne sa to uplatňuje, je veľká otázka. Niekde je preto silná vedecká škola, inde zasa financie na techniku. Vymieňať si ich medzi sebou z dôvodu prestíže a byrokracie je dosť ťažké. V Rusku je možný aj prvotriedny výskum, ale je oveľa ťažšie ho vykonávať – je tu ťažšie prostredie na prácu.
Vedecký výskum je mnohostranný. Existujú však samostatné oblasti, ktoré Nobelov výbor definuje ako prelomové? Za čo je ľahšie získať Nobelovu cenu? Alebo také pokyny neexistujú?
Pozrel som si zoznam nositeľov Nobelovej ceny za fyziku za posledných 20 rokov. Neexistuje jasný trend. V oblasti fyziky elementárnych častíc, základných fyzikálnych interakcií, je ocenení pomerne veľa. Je to pochopiteľné – robia tam celkom zaujímavú prácu. Tu však musíme vziať do úvahy dôležitý bod. Často sa hovorí, že na získanie Nobelovej ceny nestačí urobiť prelomovú prácu. Musíme predsa žiť do doby, kedy sa to zhodnotí. Preto sa Nobelova cena spravidla udeľuje ľuďom vo veľmi slušnom veku. Z tohto pohľadu je tohtoročná Nobelova cena za fyziku výnimkou z pravidla. Novoselov má teraz 36 rokov. Za posledných 20 rokov taký prípad medzi cenami vo fyzike nebol a podľa mňa ani nikdy nebol! Za posledných 8 rokov nedostal Nobelovu cenu žiadny z vedcov mladších ako 50 rokov a mnohí ju dostali vo veku 70 alebo dokonca 80 rokov za prácu vykonanú pred desiatkami rokov.
Súčasná Nobelova cena bola udelená v rozpore s pravidlami. Možno sa Nobelov výbor domnieval, že cena sa stáva gerontologickou a že by sa mal znížiť vek jej prijatia. Naposledy v „mladom“ veku bola cena za fyziku udelená v roku 2001. Víťazi boli vo veku od 40 do 50 rokov.
Teraz bola zjavne vytvorená inštalácia pre skutočnú experimentálnu prácu. Takže hoci Nobelova cena nezahŕňa astronómiu, za posledných 10 rokov boli v astrofyzike udelené dve veľmi dôležité ceny. Ocenili sa vo fyzike vysokých energií a fyzike elementárnych častíc, vo fyzike pevných látok, vo fyzike kondenzovaných stavov – teda pevných, kvapalných a iných skupenstiev, v ktorých sú atómy blízko seba. Takmer všetky tieto práce, tak či onak, sú spojené s kvantovou fyzikou.
Prečo práve kvantová teória? Je to kvôli nejakým osobným preferenciám členov Nobelovho výboru? Alebo je to naozaj najbližšia vedecká budúcnosť?
Dôvod je veľmi jednoduchý. V skutočnosti je celá fyzika, okrem teórie gravitácie, teraz kvantová. Takmer všetko nové, čo sa robí v oblasti fyziky, s výnimkou určitých bočných smerov, vylepšení a prelomov, ktoré boli v minulosti, je založené na kvantovej fyzike. Len gravitácia tomuto „kvantovaniu“ ešte nepodľahla. A všetko ostatné, čo sa týka základov fyziky, je kvantová teória a kvantová teória hmoty.
Kto je on? Novoselov Konstantin Sergejevič!
Životopis
Slávny vedec sa narodil v meste Nižný Tagil v Sverdlovskej oblasti 23. augusta 1974 v rodine inžiniera a učiteľa angličtiny na škole číslo 39, ktorej zakladateľom a riaditeľom bol kedysi jeho starý otec Viktor Konstantinovič. Novoselov.
V šiestej triede Konstantin odhaľuje mimoriadne schopnosti a zaujíma prvé miesto na regionálnej olympiáde vo fyzike a o niečo neskôr, na olympiáde v celej únii, zopakuje svoj úspech a vstúpi do prvej desiatky. V roku 1991 absolvoval ďalšiu korešpondenčnú školu fyziky a technológie av tom istom roku sa stal študentom Moskovského inštitútu fyziky a technológie. Študuje v odbore "nanotechnológia" na Fakulte fyzikálnej a kvantovej elektroniky, s vyznamenaním absolvuje inštitút, potom je prijatý do IPTM RAS (Ústav problémov mikroelektronických technológií RAS) v Černogolovke. Tam absolvuje postgraduálne štúdium pod vedením Jurija Dubrovského.
v zahraničí
V roku 1999 sa Konstantin Sergeevich Novoselov, fyzik s už zavedenou povesťou, presťahoval do Holandska. Tam, na univerzite v Nijmegene, spolupracuje s Andre Geim. Od roku 2001 vedci spolupracujú na univerzite v Manchestri. V roku 2004 získal titul Ph.D. (školiteľ Jan-Kees Maan).
V súčasnosti je Konstantin Sergeevich Novoselov profesorom Kráľovskej spoločnosti a profesorom fyzikálnych a matematických vied na Univerzite v Manchestri a má dvojité občianstvo (Rusko a Veľká Británia). Teraz žije v Manchestri.
Výskum
Čím je známy Konstantin Sergejevič Novoselov? Podľa analytickej agentúry Thomson Reuters je rusko-britský fyzik jedným z najčastejšie citovaných vedcov. Z jeho pera vyšlo 190 vedeckých článkov. Jeho najvýznamnejším výskumom je však, samozrejme, grafén. Mnohí počuli toto slovo, ktoré sa zdá jednoduché a známe. Technológia je naozaj stručná a elegantná, ako všetky dômyselné. Ďalšie štúdium je možné, zavedie ľudstvo do éry ultrarýchlych a ultratenkých mobilných a počítačových zariadení, elektrických áut a odolných, no veľmi ľahkých konštrukcií.
ocenenia
Keď Konstantin Sergejevič Novoselov začal pracovať na univerzite v Manchestri, stal sa jeho vedúcim starší kolega z Ruska, ktorý sa v tom čase už dlho venoval výskumu v tejto oblasti a podarilo sa mu zreprodukovať mechanizmus lepenia labiek gekóna. , a na jej základe vytvoril lepiacu pásku, ktorú fyzici neskôr použili pri práci s grafénom. Predtým Geimovi pomáhal istý čínsky študent, ale podľa samotného fyzika práca začala napredovať až potom, čo sa Konstantin Sergejevič Novoselov pustil do podnikania. V októbri 2010 im bola udelená Nobelova cena. Novoselov je dnes známy ako najmladší laureát Nobelovej ceny za fyziku (za posledných 37 rokov), navyše je v súčasnosti jediným vedcom medzi nositeľmi Nobelovej ceny, ktorý sa narodil po roku 1970.
V tom istom roku 2010 získal Novoselov titul veliteľa Rádu holandského leva za významný prínos k vede v Holandsku a o niečo neskôr, v roku 2011, dekrét kráľovnej Alžbety II z neho urobil rytierskeho bakalára, už za prínos pre vedu vo Veľkej Británii. Slávnostný rytiersky ceremoniál sa konal o niečo neskôr, na jar 2012, podľa očakávania v Buckinghamskom paláci. Hostiteľkou bola kráľovnina dcéra, princezná Anne.
Treba povedať, že Konstantin Sergejevič Novoselov, ktorého vedecké a spoločenské aktivity sú veľmi rozsiahle, získal ďalšie prestížne ocenenie za výskum grafénu a stal sa víťazom Europhysics Prize v roku 2008. Udeľuje sa každé dva roky, medzi laureátmi Nobelovej ceny bolo len trinásť. Ocenenie pozostáva z peňažnej odmeny a zodpovedajúceho certifikátu. Dostal aj Kurtiho cenu, no nie za grafén, ale za zoznam úspechov v práci so sférou nízkych teplôt a magnetických polí.
O rodine a živote
Konstantin Novoselov je šťastne ženatý so svojou manželkou Irinou. Hoci je tiež Ruska, vedci sa stretli v zahraničí, v Holandsku. Irina pochádza z Vologdy, venuje sa výskumu v oblasti mikrobiológie (dizertačnú prácu obhájila v Petrohrade). Pár má dve dcéry, dvojičky Sofyu a Viku, ktoré sa narodili v roku 2009.
Konstantin Sergejevič podľa vlastných slov nie je otcom, ktorý celé týždne sedí v laboratóriu a chýba mu detstvo vlastných detí. Aby vymyslel najmenší tranzistor na svete a naučil svoju dcéru počítať do dvadsaťsedem – niečo, čo je v tom istom rade. „Toto ešte nikto pred vami neurobil,“ hovorí.
Jeho rodičia sa zasa nikdy nesnažili obmedzovať záujmy svojho syna. Vždy si boli istí, že ich syn je veľmi nadaný, a ako hovorí sám fyzik, neprekvapilo ich, keď dostal Nobelovu cenu.
V rozhovore pre magazín Esquire priznal, že sníva o tom, že sa naučí hrať na klavír. Učí sa, no podľa vlastného priznania sú doterajšie výsledky priemerné.
O ZSSR
Konstantin Sergeevich sa narodil v ZSSR a získal vynikajúce vzdelanie. Sám priznáva, že je málo miest, kde sa dajú získať také hlboké znalosti. Do Ruska sa však nechystá vrátiť. Možno práve preto mu niektorí novinári nechtiac vyčítajú nedostatok vlastenectva. Na to vedec odpovedá, že to nie je o peniazoch, ale práca v Británii je pokojnejšia, pretože nikto nezasahuje do vašich záležitostí.
Novoselov berie život na ľahkú váhu, nezavesí sa na zlyhania - to je jedno z jeho základných pravidiel. Ak sa vyskytnú ťažkosti vo vzťahoch s ľuďmi, snaží sa neviesť k prestávke, ale ak je to nevyhnutné, prenecháva posledné slovo inej osobe. Slávny fyzik má veľa bežných životných problémov, napríklad by bol pripravený minúť akékoľvek peniaze, len aby získal nejaký voľný čas.
Ale nedelí svoj život na prácu a voľný čas, možno práve to je kľúčom k produktivite vedca. Doma myslí na fyziku a v práci len odpočíva na duši.
Čo je grafén
Napriek, samozrejme, všetkým úspechom v oblasti fyziky, Novoselovovou hlavnou prácou bol a stále je grafén. Táto štruktúra, ktorú po prvýkrát v laboratóriu získali naši krajania, je dvojrozmernou „mriežkou“ atómov uhlíka s hrúbkou len jedného atómu. Sám Novoselov tvrdí, že technológia nie je zložitá a grafén dokáže vytvoriť každý, takmer z improvizovaných prostriedkov. Hovorí, že na začiatok vám postačí dobrý grafit, hoci môžete použiť aj ceruzky a trochu utrácať silikónové doštičky a pásku. Všetko, súprava na vytváranie grafénu je pripravená! Materiál sa tak nestane majetkom výlučne veľkých korporácií, Novoselov a Game ho doslova darovali celému svetu.
Úžasné vlastnosti
Fyzik je prekvapený aj elektronickými vlastnosťami tohto materiálu. Grafén sa podľa neho dá použiť v tranzistoroch, o čo sa už pokúšajú niektoré firmy, ktoré nahrádzajú známe časti v mobilných zariadeniach.
Podľa Novoselova grafén spôsobí revolúciu v technológii. Neoddeliteľnou súčasťou každého sci-fi filmu sú neuveriteľné pomôcky, priehľadné, tenké, nerozbitné a so skvelou funkčnosťou. Ak grafén postupne nahradí zastaraný kremík, v živote sa objavia technológie z kina.
Čo je ešte pozoruhodné na štúdiách Novoselova a Geima? Skutočnosť, že takmer okamžite migrovali z laboratórií na dopravníky, a ešte viac - sa v prvých rokoch ukázala ako veľmi užitočná.
Budúce technológie
Kde sa teraz používa grafén? Zdalo by sa, že takýto nedávno objavený materiál sa ešte nemôže široko rozšíriť, a to je čiastočne pravda. Takmer všetok vývoj má stále experimentálny charakter a nebol uvoľnený do sériovej výroby. Teraz sa však snažia tento materiál využiť doslova vo všetkých oblastiach, ktoré možno možno nazvať skutočnou „grafénovou horúčkou“.
Samotný grafén je napriek nízkej hmotnosti a takmer úplnej priehľadnosti (absorbuje 2% prepusteného svetla, presne ako bežné okenné sklo) veľmi odolný. Nedávne štúdie amerických vedcov ukázali, že grafén sa dobre mieša s plastom. Výsledkom je mimoriadne pevný materiál, ktorý možno použiť vo všetkom od nábytku a mobilných telefónov až po raketovú vedu.
Z grafénu už boli vytvorené prototypy batérií pre elektromobily. Vyznačujú sa vysokou kapacitou a krátkym časom nabíjania. Možno sa tak vyrieši problém s elektromobilmi a doprava sa stane lacnejšou a ekologickou.
Grafén sa používa pri vývoji nových dotykových panelov pre telefóny. Ak klasické senzory dokážu fungovať len na rovnom povrchu, potom grafén nemá túto nevýhodu, pretože sa dá ohýbať, ako chcete. Navyše vysoká elektrická vodivosť spôsobí, že odozva bude minimálna.
V letectve
Telá rakiet a lietadiel vyrobených pomocou grafénu budú niekoľkonásobne ľahšie, čo výrazne zníži náklady na palivo. Letenky budú také lacné, že každý si môže dovoliť cestovať na druhú stranu zemegule. Ale okrem osobnej dopravy sa to, samozrejme, dotkne aj nákladnej dopravy. Zásobovanie odľahlých kútov planéty sa výrazne zlepší, čo znamená, že tam bude žiť a pracovať viac ľudí.
MOSKVA 5. októbra - RIA Novosti. Nobelova cena za fyziku za rok 2010 bola oslavou pre dve krajiny naraz, pre vlasť laureátov – Rusko a pre ich súčasný domov – Britániu. Švédski akademici udelili najvyššie vedecké ocenenie Andrey Geimovi a Konstantinovi Novoselovovi za objav dvojrozmernej formy uhlíka – grafénu, čo núti ruských vedcov sťažovať sa na únik mozgov a britských vedcov – dúfať v pokračovanie financovania vedy.
„Škoda, že Geim a Novoselov objavili svoje objavy v zahraničí,“ povedal pre RIA Novosti Alexej Chochlov, vedúci Katedry fyziky polymérov a kryštálov Moskovskej štátnej univerzity.
"Vláda by sa mala poučiť z rozhodnutia Nobelovho výboru," - komentoval udelenie Nobelovej ceny za fyziku prezident Kráľovskej spoločnosti vedy profesor Martin Reese. Pripomenul, že mnohí vedci, vrátane zahraničných, ktorí pracujú v Británii, môžu v prípade obmedzenia financií jednoducho odísť do iných krajín.
Britská vláda 20. októbra oznámi plány na výrazné zníženie vládnych výdavkov. Očakáva sa, že veda a vysoké školstvo budú jednou z oblastí najviac postihnutých škrtmi.
Absolventi MIPT Game a Novoselov, ktorí pracujú v Manchestri, dostali ocenenie „za priekopnícke experimenty v oblasti štúdia dvojrozmerného grafénového materiálu“. Rozdelia si medzi sebou 10 miliónov švédskych korún (asi milión eur). Slávnostné odovzdávanie cien sa uskutoční v Štokholme 10. decembra, v deň úmrtia jeho zakladateľa Alfreda Nobela.
Grafén sa stal prvým dvojrozmerným materiálom v histórii, ktorý pozostával z jednej vrstvy atómov uhlíka prepojených štruktúrou chemických väzieb, ktorá svojou geometriou pripomína štruktúru včelieho plástu. Dlho sa verilo, že takáto štruktúra je nemožná.
"Verilo sa, že takéto dvojrozmerné jednovrstvové kryštály nemôžu existovať. Musia stratiť stabilitu a zmeniť sa na niečo iné, pretože je to vlastne rovina bez hrúbky," povedal bývalý šéf laureátov, riaditeľ Ústavu pre problémy. z technológie mikroelektroniky a vysoko čistých materiálov Ruskej akadémie vied (IPTM) pre RIA Novosti povedal Vjačeslav Tulin.
Avšak, "nemožný" materiál, ako sa ukázalo, má jedinečné fyzikálne a chemické vlastnosti, vďaka ktorým je nepostrádateľný v rôznych oblastiach. Grafén vedie elektrinu rovnako ako meď, možno z neho vytvárať dotykové obrazovky, solárne články, flexibilné elektronické zariadenia.
"Toto je budúca revolúcia v mikroelektronike. Ak sú teraz počítače gigahertzové, potom budú terahertzové a tak ďalej. Tranzistory a všetky ostatné prvky elektronických obvodov budú vytvorené na báze grafénu," Alexej Fomichev, profesor na oddelení MIPT. z Quantum Electronics, povedal RIA Novosti.
Grafén už našiel jednu oblasť použitia: solárne fotovoltaické články. "Predtým sa oxidy india s prímesou cínu používali ako priehľadná elektróda pri výrobe fotovoltaických článkov. Ukázalo sa však, že niekoľko vrstiev grafénu je oveľa efektívnejších," povedal Alexander Vul, vedúci laboratória pre fyziku klastrových štruktúr. Petrohradský Ioffe Institute of Physics and Technology, Ruská akadémia vied.
Prvý z odboru fyzika a technika
Andrej Geim a Konstantin Novoselov sú vôbec prvými absolventmi Moskovského inštitútu fyziky a technológie, ktorí získali Nobelovu cenu: ešte predtým zakladatelia a zamestnanci Moskovského inštitútu fyziky a technológie - Petr Kapica, Nikolaj Semenov, Lev Landau, Igor Tamm, Alexander Prochorov, Nikolaj Basov, Vitalij Ginzburg a Alexey Abrikosov. Geim promoval na Fakulte všeobecnej a aplikovanej fyziky (FOPF) v roku 1982 v Novoselove - na Fakulte fyzikálnej a kvantovej elektroniky (FFKE) v roku 1997. Obaja absolventi získali červené diplomy.
"Toto je super správa. Sme veľmi spokojní s rozhodnutím Nobelovho výboru. MIPT už poslal gratulácie novým laureátom Nobelovej ceny," povedal v utorok pre RIA Novosti rektor MIPT Nikolaj Kudrjavcev.
Zamestnanci podľa rektora „vyzdvihli svoje osobné spisy z archívu a ubezpečili sa, že ide o vynikajúcich študentov“. Zároveň Andrey Geim nevstúpil do inštitútu prvýkrát, keď pracoval rok v závode, ale „preukázal vytrvalosť“ a stal sa študentom Moskovského inštitútu fyziky a technológie.
"Počas celého štúdia na FOPF získal Geim od pedagógov najvyššie hodnotenia. A záverečnú prácu Geima hodnotila diplomová komisia mimoriadne vysoko," uviedol šéf Moskovského inštitútu fyziky a technológie.
Študent 152. skupiny Fakulty fyzikálnej a kvantovej elektroniky Konstantin Novoselov, ako poznamenal Kudryavtsev, „chodil na hodiny nepravidelne, ale všetky úlohy odovzdal úspešne a včas“.
"A hodnotenia učiteľov Novoselova sú tiež najvyššie. To znamená, že bol taký talentovaný, že vo všeobecnosti nebolo potrebné, aby chodil na všetky hodiny," komentoval rektor Moskovského inštitútu fyziky a technológie. archívne dokumenty.
Od Schnobela k Nobelovej
Geimov kolega, Konstantin Novoselov, sa stal najmladším laureátom Nobelovej ceny s ruským občianstvom: 36-ročný fyzik je o šesť rokov mladší ako jeho sovietsky kolega Nikolaj Basov, ktorý vo veku 42 rokov dostal cenu 1964 za prácu v oblasti kvantovej elektroniky, ktorá viedla k vytvoreniu žiaričov a zosilňovačov na princípe laser-maser.
Najmladším nositeľom Nobelovej ceny v histórii bol Lawrence Bragg, ktorý sa vo veku 25 rokov o cenu za fyziku podelil so svojím otcom Williamom Henrym Braggom. Ďalšie štyri pozície v rebríčku najmladších laureátov v histórii obsadzujú aj fyzici: Werner Heisenberg, Zongdao Li, Karl Anderson a Paul Dirac dostali ceny ako 31-roční.
Konstantin Novoselov sa však do histórie zapíše ako prvý príslušník generácie narodenej v 70. rokoch. Fyzik Eric Cornell, biológovia Carol Greider a Craig Mello a americký prezident Barack Obama, ktorý dostal Nobelovu cenu za mier, predstavujú predchádzajúce desaťročie na zozname laureátov. V zozname laureátov nie je nikto mladší ako 1961, okrem Novoselova.
Od redaktora: V súvislosti s témou modernizácie ruskej ekonomiky a rozvoja špičkových technológií v našej krajine sme si dali za úlohu nielen upozorniť čitateľov na nedostatky, ale aj hovoriť o pozitívnych príkladoch. Navyše ich je a je ich veľa. Minulý týždeň sme hovorili o vývoji palivových článkov v Rusku a dnes budeme hovoriť o graféne, za štúdium vlastností ktorého „naši bývalí ľudia“ nedávno dostali Nobelovu cenu. Ukazuje sa, že v Rusku, alebo skôr v Novosibirsku, na tomto materiáli pracujú veľmi vážne.
Kremík ako základ mikroelektroniky si pevne vydobyl svoju pozíciu v high-tech priestore a nestalo sa tak náhodou. Po prvé, je relatívne ľahké dodať kremíku požadované vlastnosti. Po druhé, veda je známa už dlho a bola študovaná „hore a dole“. Tretím dôvodom je, že do kremíkových technológií boli investované skutočne gigantické prostriedky a na nový materiál si teraz trúfne staviť len málokto. Koniec koncov, na to bude potrebné obnoviť obrovský priemyselný sektor. Radšej ho postavte takmer od základov.
Existujú však aj iní uchádzači o vedenie ako polovodičový materiál. Napríklad grafén, ktorý sa po Nobelovej cene za štúdium jeho vlastností stal veľmi módnym. Skutočne existujú dôvody, prečo naň prejsť z kremíka, keďže grafén má množstvo významných výhod. Či však skončíme s „elektronikou založenou na graféne“, ešte nie je jasné, pretože spolu s výhodami existujú aj nevýhody.
Aby sme sa porozprávali o perspektívach grafénu v mikroelektronike a jeho jedinečných vlastnostiach, stretli sme sa v Novosibirsku s hlavným výskumníkom Ústavu anorganickej chémie. A. V. Nikolaev SB RAS, doktor chemických vied, profesor Vladimír Fedorov.
Alla Arshinova: Vladimír Efimovič, aké sú súčasné pozície kremíka v mikroelektronike?
Vladimír Fedorov: Kremík sa v priemysle používa ako hlavný polovodičový materiál už veľmi dlho. Faktom je, že sa ľahko dopuje, to znamená, že sa k nemu môžu pridávať atómy rôznych prvkov, ktoré riadeným spôsobom menia fyzikálne a chemické vlastnosti. Takáto modifikácia vysoko čistého kremíka umožňuje získať polovodičové materiály typu n alebo p. Smerové dopovanie kremíka teda reguluje funkčné vlastnosti materiálov, ktoré sú dôležité pre mikroelektroniku.
Kremík je skutočne jedinečný materiál, a to je dôvod, prečo sa doň investovalo toľko úsilia, peňazí a intelektuálnych zdrojov. Základné vlastnosti kremíka boli študované tak podrobne, že je rozšírený názor, že jednoducho zaň nemôže existovať náhrada. Nedávny výskum grafénu však dal zelenú inému názoru, a to, že nové materiály môžu pokročiť do bodu, kedy môžu nahradiť kremík.
Kryštalická štruktúra kremíka
Takéto diskusie sa vo vede pravidelne objavujú a riešia sa spravidla až po serióznom výskume. Napríklad nedávno bola podobná situácia s vysokoteplotnými supravodičmi. V roku 1986 Bednorz a Müller objavili supravodivosť v oxide bária-lantán-meďnatý (za tento objav im bola udelená Nobelova cena už v roku 1987 - rok po objave!), ktorá bola zistená pri teplote výrazne vyššej ako sú hodnoty charakteristika známeho času supravodivých materiálov. Štruktúra kuprátových supravodivých zlúčenín sa zároveň výrazne líšila od nízkoteplotných supravodičov. Potom lavínovitá štúdia súvisiacich systémov viedla k výrobe materiálov s teplotou supravodivého prechodu 90 K a viac. To znamenalo, že ako chladivo sa nedalo použiť drahé a rozmarné tekuté hélium, ale tekutý dusík - v plynnej forme je ho v prírode veľa a okrem toho je oveľa lacnejší ako hélium.
Ale, bohužiaľ, táto eufória čoskoro prešla po starostlivom výskume nových vysokoteplotných supravodičov. Tieto polykryštalické materiály, podobne ako iné komplexné oxidy, sú podobné keramike: sú krehké a neťažné. Ukázalo sa, že supravodivosť vo vnútri každého kryštálu má dobré parametre, ale v kompaktných vzorkách sú kritické prúdy skôr nízke, čo je spôsobené slabými kontaktmi medzi zrnami materiálu. Slabé Josephsonove spojenia medzi supravodivými zrnami neumožňujú vyrobiť materiál (napríklad drôt) s vysokými supravodivými charakteristikami.
Solárna batéria na báze polykryštalického kremíka
Rovnaká situácia môže nastať s grafénom. V súčasnosti sa u neho našli veľmi zaujímavé vlastnosti, no zostáva vykonať rozsiahly výskum, aby sa konečne zodpovedala otázka o možnosti získať tento materiál v priemyselnom meradle a využiť ho v nanoelektronike.
Alla Arshinova: Môžete prosím vysvetliť, čo je grafén a ako sa líši od grafitu?
Vladimír Fedorov: Grafén je monoatomická vrstva vytvorená z atómov uhlíka, ktorá má podobne ako grafit mriežku v tvare plástu. A grafit je naskladaný na seba v hromade grafénových vrstiev. Grafénové vrstvy v grafite sú prepojené veľmi slabými van der Waalsovými väzbami, a preto je možné ich v konečnom dôsledku roztrhnúť. Keď píšeme ceruzkou, je to príklad toho, že odlupujeme vrstvy grafitu. Je pravda, že stopa ceruzky zostávajúca na papieri ešte nie je grafén, ale grafénová viacvrstvová štruktúra.
Teraz môže každé dieťa s plnou vážnosťou povedať, že neprekladá len papier, ale vytvára najkomplexnejšiu grafénovú viacvrstvovú štruktúru.
Ale ak je možné rozdeliť takúto štruktúru na jednu vrstvu, potom sa získa skutočný grafén. Podobné rozdelenia uskutočnili aj tohtoroční laureáti Nobelovej ceny za fyziku Geim a Novoselov. Grafit sa im podarilo rozštiepiť lepiacou páskou a po preštudovaní vlastností tejto „grafitovej vrstvy“ sa ukázalo, že má veľmi dobré parametre na použitie v mikroelektronike. Jednou z pozoruhodných vlastností grafénu je jeho vysoká mobilita elektrónov. Hovorí sa, že grafén sa stane nepostrádateľným materiálom pre počítače, telefóny a ďalšie zariadenia. prečo? Pretože v tejto oblasti je tendencia zrýchľovať postupy spracovania informácií. Tieto rutiny súvisia s frekvenciou hodín. Čím vyššia je prevádzková frekvencia, tým viac operácií možno spracovať za jednotku času. Preto je rýchlosť nosičov náboja veľmi dôležitá. Ukázalo sa, že nosiče náboja v graféne sa správajú ako relativistické častice s nulovou efektívnou hmotnosťou. Takéto vlastnosti grafénu nám skutočne umožňujú dúfať, že bude možné vytvoriť zariadenia schopné pracovať na terahertzových frekvenciách, ktoré sú pre kremík nedostupné. Toto je jedna z najzaujímavejších vlastností materiálu.
Laureáti Nobelovej ceny za fyziku 2010 Andrey Geim a Konstantin Novoselov
Flexibilné a transparentné fólie sa dajú získať z grafénu, ktorý je tiež veľmi zaujímavý pre množstvo aplikácií. Ďalším plusom je, že ide o veľmi jednoduchý a veľmi ľahký materiál, ľahší ako kremík; okrem toho je v prírode dostatok uhlíka. Ak teda naozaj nájdu spôsob, ako tento materiál využiť vo špičkových technológiách, potom, samozrejme, bude mať dobré vyhliadky a možno časom nahradí kremík.
S termodynamickou stabilitou nízkorozmerných vodičov je však spojený jeden zásadný problém. Ako je známe, pevné telesá sú rozdelené do rôznych priestorových systémov; napríklad 3D (trojrozmerný) systém zahŕňa objemové kryštály. Dvojrozmerné (2D) systémy predstavujú vrstvené kryštály. A reťazové štruktúry patria do jednorozmerného (1D) systému. Nízkorozmerné - 1D reťazové a 2D vrstvené štruktúry s kovovými vlastnosťami teda nie sú z termodynamického hľadiska stabilné, s klesajúcou teplotou majú tendenciu meniť sa na systém, ktorý stráca kovové vlastnosti. Ide o takzvané prechody kov-izolátor. Ako stabilné budú grafénové materiály v niektorých zariadeniach, sa ešte len uvidí. Samozrejme, grafén je zaujímavý, a to z hľadiska elektrických aj mechanických vlastností. Predpokladá sa, že monolitická vrstva grafénu je veľmi pevná.
Alla Arshinova: Silnejší ako diamant?
Vladimír Fedorov: Diamant má trojrozmerné väzby, mechanicky je veľmi pevný. V grafite v rovine sú medziatómové väzby rovnaké, možno silnejšie. Faktom je, že z termodynamického hľadiska by sa diamant mal zmeniť na grafit, pretože grafit je stabilnejší ako diamant. Ale v chémii sú dva dôležité faktory, ktoré riadia proces transformácie: sú to termodynamická stabilita fáz a kinetika procesu, teda rýchlosť premeny jednej fázy na druhú. Diamanty teda ležia v múzeách sveta po stáročia a nechcú sa premeniť na grafit, hoci by mali. Možno sa o milióny rokov predsa len zmenia na grafit, aj keď by to bola škoda. Proces diamantu ku grafitu pri izbovej teplote je veľmi pomalý, ale ak diamant zahrejete na vysokú teplotu, potom bude kinetická bariéra ľahšie prekonateľná a to sa určite stane.
Grafit v pôvodnej podobe
Alla Arshinova: Skutočnosť, že grafit sa dá štiepiť na veľmi tenké vločky, je už dlho známa. Aký bol teda úspech laureátov Nobelovej ceny za fyziku za rok 2010?
Vladimír Fedorov: Takú postavu ako Petrik asi poznáte. Po udelení Nobelovej ceny Andrejovi Geimovi a Konstantinovi Novoselovovi vyhlásil, že mu Nobelovu cenu ukradli. V reakcii na to Game povedal, že takéto materiály sú skutočne známe už veľmi dlho, ale dostali cenu za štúdium vlastností grafénu a nie za objavenie metódy na jeho získanie ako takého. V skutočnosti je ich zásluha v tom, že dokázali oddeliť veľmi kvalitné grafénové vrstvy z vysoko orientovaného grafitu a podrobne študovať ich vlastnosti. Kvalita grafénu je veľmi dôležitá, rovnako ako v kremíkovej technológii. Keď sa naučili, ako získať kremík s veľmi vysokým stupňom čistoty, až potom bola možná elektronika založená na ňom. To isté platí pre grafén. Geim a Novoselov vzali veľmi čistý grafit s dokonalými vrstvami, podarilo sa im odštiepiť jednu vrstvu a študovať jeho vlastnosti. Ako prví dokázali, že tento materiál má súbor jedinečných vlastností.
Alla Arshinova: V súvislosti s udeľovaním Nobelovej ceny vedcom s ruskými koreňmi pôsobiacimi v zahraničí sa naši krajania, ktorí majú k vede ďaleko, pýtajú, či bolo možné dospieť k rovnakým výsledkom aj u nás v Rusku?
Vladimír Fedorov: Pravdepodobne to bolo možné. Jednoducho odišli v správnom čase. Ich prvý článok, publikovaný v Nature, bol napísaný v spolupráci s niekoľkými vedcami z Černogolovky. V tomto smere zrejme pracovali aj naši ruskí výskumníci. Ale nepodarilo sa to dokončiť presvedčivo. Je to škoda. Možno jedným z dôvodov sú priaznivejšie podmienky pre prácu v zahraničných vedeckých laboratóriách. Nedávno som prišiel z Kórey a môžem porovnať pracovné podmienky, ktoré som tam dostal, s prácou doma. Takže tam som sa o nič nestaral a doma - plné rutinných povinností, ktoré zaberajú veľa času a neustále odvádzajú pozornosť od hlavnej veci. Bolo mi poskytnuté všetko, čo som potreboval, a bolo to vykonané úžasnou rýchlosťou. Napríklad, ak potrebujem nejaké činidlo, napíšem si poznámku – a na druhý deň mi ju prinesú. Mám podozrenie, že aj laureáti Nobelovej ceny majú veľmi dobré pracovné podmienky. No, mali dosť vytrvalosti: opakovane sa pokúšali získať dobrý materiál a nakoniec dosiahli úspech. Venovali tomu naozaj veľa času a úsilia a ocenenie v tomto zmysle je zaslúžené.
Alla Arshinova: A aké sú vlastne výhody grafénu v porovnaní s kremíkom?
Vladimír Fedorov: Po prvé, už sme povedali, že má vysokú mobilitu nosičov, ako hovoria fyzici, nosiče náboja nemajú hmotnosť. Hmota vždy spomaľuje pohyb. A v graféne sa elektróny pohybujú takým spôsobom, že ich môžeme považovať za nemajúce žiadnu hmotnosť. Táto vlastnosť je jedinečná: ak existujú iné materiály a častice s podobnými vlastnosťami, sú extrémne zriedkavé. Grafén sa v tomto ukázal ako dobrý a v tomto sa priaznivo porovnáva s kremíkom.
Po druhé, grafén má vysokú tepelnú vodivosť, čo je pre elektronické zariadenia veľmi dôležité. Je veľmi ľahký a grafénová doska je priehľadná a flexibilná a dá sa zrolovať. Grafén môže byť aj veľmi lacný, ak sa vyvinú optimálne metódy na jeho výrobu. Koniec koncov, "metóda škótska", ktorú demonštrovali Game a Novoselov, nie je priemyselná. Touto metódou sa získavajú vzorky naozaj vysokej kvality, ale vo veľmi malom množstve, len na výskum.
A teraz chemici vyvíjajú ďalšie spôsoby získania grafénu. Koniec koncov, musíte získať veľké listy, aby ste mohli spustiť výrobu grafénu. Týmito otázkami sa zaoberáme aj tu, na Ústave anorganickej chémie. Ak sa grafén podarí syntetizovať metódami, ktoré by umožnili výrobu vysokokvalitného materiálu v priemyselnom meradle, potom existuje nádej, že to spôsobí revolúciu v mikroelektronike.
Alla Arshinova: Ako už asi každý vie z médií, grafénová viacvrstvová štruktúra sa dá získať pomocou ceruzky a lepiacej pásky. A aká je technológia na získavanie grafénu používaná vo vedeckých laboratóriách?
Vladimír Fedorov: Spôsobov je viacero. Jeden z nich je známy už veľmi dlho, je založený na použití oxidu grafitu. Jeho princíp je celkom jednoduchý. Grafit sa umiestni do roztoku vysoko oxidačných látok (napríklad kyseliny sírovej, dusičnej atď.) A pri zahrievaní začne interagovať s oxidačnými činidlami. V tomto prípade je grafit rozdelený do niekoľkých listov alebo dokonca do monatomických vrstiev. Ale výsledné monovrstvy nie sú grafén, ale oxidovaný grafén, ktorý má pripojené kyslíkové, hydroxylové a karboxylové skupiny. Teraz je hlavnou úlohou obnoviť tieto vrstvy na grafén. Keďže malé častice sa získavajú počas oxidácie, musia byť nejakým spôsobom zlepené, aby sa získal monolit. Úsilie chemikov je zamerané na pochopenie toho, ako je možné vyrobiť grafénový list z oxidu grafitu, ktorého technológia výroby je známa.
Existuje ďalšia metóda, tiež celkom tradičná a už dlho známa - ide o chemické vylučovanie pár za účasti plynných zlúčenín. Jeho podstata je nasledovná. Najprv sa reakčné látky sublimujú do plynnej fázy, potom prechádzajú cez substrát zahriaty na vysoké teploty, na ktorý sa nanášajú požadované vrstvy. Keď sa zvolí počiatočné činidlo, napríklad metán, môže sa rozložiť takým spôsobom, že sa vodík odštiepi a uhlík zostane na substráte. Tieto procesy sa však ťažko kontrolujú a je ťažké získať ideálnu vrstvu.
Grafén je jednou z alotropných modifikácií uhlíka
Existuje ďalšia metóda, ktorá sa teraz začína aktívne používať - metóda použitia interkalovaných zlúčenín. V grafite, rovnako ako v iných vrstvených zlúčeninách, môžu byť medzi vrstvy umiestnené molekuly rôznych látok, ktoré sa nazývajú "hosťujúce molekuly". Grafit je „hostiteľská“ matica, kde dodávame „hostí“. Keď sú hostia vsunutí do hostiteľskej mriežky, vrstvy sa prirodzene oddelia. To je presne to, čo sa vyžaduje: proces interkalácie rozkladá grafit. Interkalované zlúčeniny sú veľmi dobrými prekurzormi na získanie grafénu – stačí odtiaľ vytiahnuť „hostí“ a zabrániť tomu, aby sa vrstvy zrútili späť do grafitu. V tejto technológii je dôležitým krokom proces získavania koloidných disperzií, ktoré je možné premeniť na grafénové materiály. Tento prístup podporujeme v našom inštitúte. Podľa nášho názoru ide o najpokročilejší smer, od ktorého sa očakávajú veľmi dobré výsledky, pretože izolované vrstvy možno najjednoduchšie a najefektívnejšie získať z rôznych druhov interkalovaných zlúčenín.
Grafén je svojou štruktúrou podobný plástom. A v poslednej dobe je to veľmi „sladká“ téma
Existuje ďalší spôsob, ktorý sa nazýva celková chemická syntéza. Spočíva v tom, že potrebné „medové plásty“ sú zostavené z jednoduchých organických molekúl. Organická chémia má veľmi rozvinutý syntetický aparát, ktorý umožňuje získať obrovské množstvo molekúl. Preto sa metóda chemickej syntézy snaží získať štruktúry grafénu. Doteraz sa podarilo vytvoriť grafénový list pozostávajúci z približne dvesto atómov uhlíka.
Vyvíjajú sa aj ďalšie prístupy k syntéze grafénu. Napriek početným problémom veda v tomto smere úspešne napreduje. Existuje veľká dôvera, že existujúce prekážky budú prekonané a grafén prinesie nový míľnik vo vývoji špičkových technológií.
PhD v odbore chémia Tatyana Zimina.
Nobelova cena za fyziku za rok 2010 bola udelená za výskum grafénu, dvojrozmerného materiálu, ktorý vykazuje nezvyčajné a zároveň veľmi užitočné vlastnosti. Jeho objav sľubuje nielen nové technológie, ale aj rozvoj fundamentálnej fyziky, ktorého výsledkom môžu byť nové poznatky o štruktúre hmoty. Tohtoročnými laureátmi Nobelovej ceny za fyziku sú Andre Game a Konstantin Novoselov, profesori na Univerzite v Manchestri (Veľká Británia), absolventi Moskovského inštitútu fyziky a technológie.
Atómy uhlíka v graféne tvoria dvojrozmerný kryštál s hexagonálnymi bunkami.
Nositeľ Nobelovej ceny za fyziku za rok 2010 Andre Geim (narodený v roku 1958) je profesorom na Univerzite v Manchestri (Spojené kráľovstvo). Vyštudoval Moskovský inštitút fyziky a technológie, doktorandskú prácu obhájil na Inštitúte fyziky pevných látok (Černogolo
Nositeľ Nobelovej ceny za fyziku za rok 2010 Konstantin Novoselov (narodený v roku 1974) je profesorom na Univerzite v Manchestri (Spojené kráľovstvo) a absolventom Moskovského inštitútu fyziky a technológie. Pracoval na Ústave problémov mikroelektronických technológií a
Grafén je jednou z alotropných foriem uhlíka. Najprv sa získaval postupnou exfoliáciou tenkých vrstiev grafitu. Grafén, poskladaný, tvorí nanorúrku alebo fullerén.
Jednou z možných aplikácií grafénu je vytvorenie novej technológie na dešifrovanie chemickej štruktúry (sekvenovanie) DNA na jeho základe. Vedci z Kavli Institute of Nanovience (Holandsko) pod vedením profesora Dekkeho
Grafén, materiál s hrúbkou len jedného atómu, sa skladá z „mriežky“ atómov uhlíka usporiadaných ako plást do šesťuholníkových (šesťuholníkových) buniek. Ide o ďalšiu alotropickú formu uhlíka spolu s grafitom, diamantom, nanorúrkami a fullerénom. Materiál má vynikajúcu elektrickú vodivosť, dobrú tepelnú vodivosť, vysokú pevnosť a je takmer úplne priehľadný.
Myšlienka získania grafénu „ležala“ v kryštálovej mriežke grafitu, čo je vrstvená štruktúra tvorená slabo viazanými vrstvami atómov uhlíka. To znamená, že grafit môže byť v skutočnosti reprezentovaný ako súbor grafénových vrstiev (dvojrozmerných kryštálov), ktoré sú vzájomne prepojené.
Grafit je vrstvený materiál. Práve túto vlastnosť využili laureáti Nobelovej ceny na získanie grafénu, napriek tomu, že teória predpovedala (a predchádzajúce experimenty potvrdili), že dvojrozmerný uhlíkový materiál nemôže existovať pri izbovej teplote – premení sa na iné alotropné formy uhlíka, napr. napríklad zložiť do nanorúrok alebo do sférických fullerénov.
Medzinárodný tím vedcov pod vedením Andre Geima, ktorý zahŕňal výskumníkov z University of Manchester (Veľká Británia) a Inštitútu pre problémy mikroelektronických technológií a vysoko čistých materiálov (Rusko, Černogolovka), získal grafén jednoduchým odlupovaním grafitových vrstiev. Na tento účel sa na grafitový kryštál nalepila obyčajná lepiaca páska a potom sa odstránila: na páske zostali najtenšie filmy, medzi ktorými boli aj jednovrstvové. (Ako si nepamätáte: „Všetko dômyselné je jednoduché!“) Neskôr sa pomocou tejto techniky získali ďalšie dvojrozmerné materiály, vrátane vysokoteplotného supravodiča Bi-Sr-Ca-Cu-O.
Teraz sa táto metóda nazýva "mikromechanická separácia", umožňuje získať najkvalitnejšie vzorky grafénu až do veľkosti 100 mikrónov.
Ďalším skvelým nápadom budúcich laureátov Nobelovej ceny bolo ukladanie grafénu na substrát oxidu kremičitého (SiO2). Vďaka tomuto postupu bolo možné grafén pozorovať pod mikroskopom (od optickej po atómovú silu) a študovať.
Už prvé experimenty s novým materiálom ukázali, že v rukách vedcov nie je len iná forma uhlíka, ale nová trieda materiálov s vlastnosťami, ktoré nemožno vždy opísať z pohľadu klasickej teórie fyziky pevných látok.
Výsledný dvojrozmerný materiál, ktorý je polovodičom, má vodivosť podobnú vodivosti jedného z najlepších kovových vodičov - medi. Jeho elektróny majú veľmi vysokú mobilitu, čo súvisí so zvláštnosťami jeho kryštálovej štruktúry. Je zrejmé, že táto kvalita grafénu v spojení s jeho hrúbkou nanometrov z neho robí kandidáta na materiál, ktorý by mohol v elektronike, vrátane budúcich vysokorýchlostných počítačov, nahradiť kremík, ktorý nespĺňa súčasné požiadavky. Výskumníci sa domnievajú, že nová trieda grafénovej nanoelektroniky s hrúbkou základného tranzistora nie väčšou ako 10 nm (tranzistor s efektom poľa už bol získaný na graféne) nie je ďaleko.
Teraz fyzici pracujú na ďalšom zvyšovaní mobility elektrónov v graféne. Výpočty ukazujú, že obmedzenie mobility nosičov náboja v ňom (a tým aj vodivosti) je spojené s prítomnosťou nabitých nečistôt v substráte Si02. Ak sa človek naučí, ako získať „voľne visiace“ grafénové filmy, potom sa mobilita elektrónov môže zvýšiť o dva rády – až na 2×106 cm2/V. s. Takéto experimenty už prebiehajú a celkom úspešne. Pravda, ideálny dvojrozmerný film vo voľnom stave je nestabilný, ale ak sa v priestore deformuje (teda nie je dokonale plochý, ale napríklad zvlnený), tak je mu stabilita zabezpečená. Takáto fólia sa dá použiť napríklad na výrobu nanoelektromechanického systému – vysoko citlivého senzora plynu schopného reagovať aj na jedinú molekulu, ktorá sa objaví na jeho povrchu.
Ďalšie možné aplikácie grafénu: v elektródach superkondenzátorov, v solárnych článkoch, na vytváranie rôznych kompozitných materiálov vrátane ultraľahkých a vysokopevnostných (pre letectvo, kozmické lode a pod.), s danou vodivosťou. To posledné môže byť veľmi odlišné. Napríklad bol syntetizovaný grafánový materiál, ktorý je na rozdiel od grafénu izolant (pozri „Veda a život“ č.). Získal sa pripojením atómu vodíka na každý atóm uhlíka východiskového materiálu. Dôležité je, že všetky vlastnosti východiskového materiálu – grafénu – je možné obnoviť jednoduchým zahriatím (žíhaním) grafánu. Zároveň grafén pridaný do plastu (izolantu) ho premení na vodič.
Takmer úplná priehľadnosť grafénu naznačuje jeho použitie v dotykových obrazovkách, a ak si spomenieme na jeho „supertenkosť“, potom sú vyhliadky na jeho využitie pre budúce flexibilné počítače (ktoré sa dajú zrolovať ako noviny), náramky na hodinky, panely s jemným svetlom. pochopiteľné.
Akákoľvek aplikácia materiálu však vyžaduje jeho priemyselnú výrobu, pre ktorú nie je vhodná metóda mikromechanickej separácie používaná v laboratórnom výskume. Vo svete sa preto teraz vyvíja obrovské množstvo iných spôsobov, ako ho získať. Chemické metódy na získanie grafénu z mikrokryštálov grafitu už boli navrhnuté. Jedna z nich napríklad vyrába grafén vložený do polymérnej matrice. Opisuje sa aj ukladanie pár, rast pri vysokom tlaku a teplote na substrátoch z karbidu kremíka. V druhom prípade, ktorý je najvhodnejší pre priemyselnú výrobu, vzniká tepelným rozkladom povrchovej vrstvy substrátu film s vlastnosťami grafénu.
Hodnota nového materiálu pre rozvoj fyzikálneho výskumu je fantasticky veľká. Ako uvádzajú Sergej Morozov (Ústav pre problémy mikroelektronických technológií a vysoko čistých materiálov Ruskej akadémie vied), Andre Geim a Konstantin Novoselov vo svojom článku uverejnenom v roku 2008 v časopise Uspekhi fizicheskikh nauk, „grafén v skutočnosti otvára nová vedecká paradigma - „relativistická“ fyzika pevného skupenstva, v ktorej kvantové relativistické javy (z ktorých niektoré nie sú realizovateľné ani vo fyzike vysokých energií) možno teraz študovať v bežných laboratórnych podmienkach... Prvýkrát v pevnom skupenstve -stavový experiment, možno preskúmať všetky nuansy a rozmanitosť kvantovej elektrodynamiky. To znamená, že hovoríme o tom, že mnohé javy, ktorých štúdium si vyžiadalo konštrukciu obrovských urýchľovačov častíc, možno teraz skúmať vyzbrojení oveľa jednoduchším nástrojom – najtenším materiálom na svete.
Odborný komentár
Premýšľali sme o tranzistore s efektom poľa ...
Redakcia požiadala svojho kolegu a spoluautora, aby sa vyjadril k výsledkom práce laureátov Nobelovej ceny Andreho Geima a Konstantina Novoselova. Sergej Morozov, vedúci laboratória Ústavu pre problémy technológie mikroelektroniky a vysoko čistých materiálov Ruskej akadémie vied (Černogolovka), odpovedá na otázky Tatyany Ziminy, korešpondentky pre vedu a život.
Ako vznikol nápad získať dvojrozmerný uhlíkový materiál? V súvislosti s čím? Očakávali ste od tejto formy uhlíka nejaké nezvyčajné vlastnosti?
Pôvodne sme nemali za cieľ získať dvojrozmerný materiál z polokovu, pokúsili sme sa vyrobiť tranzistor s efektom poľa. Kovy, hrubé ani jeden atóm, na to nie sú vhodné – majú príliš veľa voľných elektrónov. Najprv sme z grafitového kryštálu dostali spočítateľný počet atómových rovín, potom sme začali vyrábať tenšie a tenšie platne, až kým sme nezískali jednoatómovú vrstvu, teda grafén.
O graféne uvažovali teoretici už dlho, od polovice 20. storočia. Predstavili aj samotný názov dvojrozmerného karbónového materiálu. Práve grafén sa teoretici (dávno pred jeho experimentálnou výrobou) stal východiskom pre výpočet vlastností iných foriem uhlíka – grafitu, nanorúriek, fullerénov. Je tiež najlepšie teoreticky popísaný. Samozrejme, teoretici jednoducho nezohľadnili žiadne experimentálne objavené účinky. Elektróny v graféne sa správajú ako relativistické častice. Ale nikoho predtým nenapadlo študovať, ako by vyzeral Hallov efekt v prípade relativistických častíc. Objavili sme nový typ kvantového Hallovho efektu, ktorý bol jedným z prvých nápadných potvrdení jedinečnosti elektronického subsystému v graféne. To isté možno povedať o Kleinovom paradoxe vlastnom graféne, známom z fyziky vysokých energií. V tradičných polovodičoch alebo kovoch môžu elektróny tunelovať cez potenciálne bariéry, ale s pravdepodobnosťou oveľa menšou ako jedna. V graféne prenikajú elektróny (ako relativistické častice) bez odrazu aj cez nekonečne vysoké potenciálové bariéry.
Prečo sa verilo, že dvojrozmerný uhlíkový materiál (grafén) bude pri izbovej teplote nestabilný? A ako ste to potom získali?
Rané práce teoretikov, ktoré ukázali nestabilitu dvojrozmerných materiálov, odkazovali na nekonečný ideálny dvojrozmerný systém. Neskoršie práce ukázali, že v dvojrozmernom systéme môže stále existovať rád na dlhé vzdialenosti (ktorý je súčasťou kryštalických telies - pozn. red.) pri konečnej teplote (izbová teplota pre kryštál je pomerne nízka teplota). Skutočný grafén v suspenzii však zjavne nie je dokonale plochý, je mierne zvlnený – výška stúpaní v ňom je rádovo nanometrov. V elektrónovom mikroskope tieto "vlny" nie sú viditeľné, existujú však ich iné potvrdenia.
Grafén je polovodič, ak tomu dobre rozumiem. Ale sem tam nájdem definíciu - polokov. Do akej triedy materiálov patrí?
Polovodiče majú zakázané pásmo určitej šírky. Grafén má nulu. Takže to možno nazvať polovodič s nulovým pásmovým rozdielom alebo polokov s prekrytím nulového pásma. To znamená, že zaujíma medzipolohu medzi polovodičmi a polokovmi.
Na niektorých miestach v populárnej literatúre sa spomínajú ďalšie dvojrozmerné materiály. Vyskúšala vaša skupina niečo z toho?
Doslova rok po získaní grafénu sme získali dvojrozmerné materiály z iných vrstvených kryštálov. Ide napríklad o nitrid bóru, niektoré dichalkogenidy, vysokoteplotný supravodič Bi-Sr-Ca-Cu-O. Neopakovali vlastnosti grafénu – niektoré z nich boli vo všeobecnosti dielektriká, iné mali veľmi nízku vodivosť. Mnoho výskumných skupín vo svete sa zaoberá štúdiom dvojrozmerných materiálov. Teraz používame nitrid bóru ako substrát pre grafénové štruktúry. Ukázalo sa, že to radikálne zlepšuje vlastnosti grafénu. Tiež, ak hovoríme o použití grafénu na vytváranie kompozitných materiálov, nitrid bóru je jedným z jeho hlavných konkurentov.
- Aké sú najsľubnejšie metódy výroby grafénu?
Podľa môjho názoru teraz existujú dve takéto hlavné metódy. Prvým je rast na povrchu filmov niektorých kovov vzácnych zemín, ako aj medi a niklu. Potom sa grafén musí preniesť na iné substráty, a to sa už naučili robiť. Táto technológia sa posúva do štádia komerčného vývoja.
Ďalšou metódou je pestovanie na karbide kremíka. Ale bolo by fajn naučiť sa pestovať grafén na kremíku, na ktorom je postavená celá moderná elektronika. Potom by vývoj grafénových zariadení išiel míľovými krokmi, pretože grafénová elektronika by prirodzene rozšírila funkčnosť tradičnej mikroelektroniky.
