รางวัลโนเบลสำหรับการค้นพบอะราฟีน "นักฟิสิกส์ขยะ" จากรัสเซียคว้ารางวัลโนเบลได้อย่างไร

รายชื่อผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2553 ได้รับการประกาศ ณ กรุงสตอกโฮล์ม พวกเขาคือศาสตราจารย์ Andrey Geim และศาสตราจารย์ Konstantin Novoselov ผู้ได้รับรางวัลทั้งสองซึ่งทำงานที่ British University of Manchester มาจากรัสเซีย Andrei Geim อายุ 52 ปี เป็นพลเมืองของเนเธอร์แลนด์ ในขณะที่ Konstantin Novoselov อายุ 36 ปี มีสัญชาติรัสเซียและอังกฤษ

รางวัลทางวิทยาศาสตร์อันทรงเกียรติที่สุดในโลก ซึ่งมีมูลค่าประมาณ 1.5 ล้านเหรียญในปีนี้ มอบให้กับนักวิทยาศาสตร์สำหรับการค้นพบกราฟีน ซึ่งเป็นวัสดุที่บางเฉียบและทนทานอย่างยิ่ง ซึ่งเป็นฟิล์มคาร์บอนที่มีความหนาเพียง 1 อะตอม

เกี่ยวกับความยากลำบากที่เกิดขึ้นระหว่างการค้นพบกราฟีนและการประยุกต์ใช้วัสดุนี้ในทางปฏิบัติอย่างไร Alexander Sergeev บรรณาธิการด้านวิทยาศาสตร์ของนิตยสาร Vokrug Sveta พูดถึงการออกอากาศของ Radio Liberty:

ความจริงที่ว่านักวิทยาศาสตร์ได้รับกราฟีนนั้นน่าทึ่งมาก ในทางทฤษฎี กราฟีนถูกทำนายไว้เมื่อครึ่งศตวรรษก่อนการสังเคราะห์ ที่โรงเรียนทุกคนผ่านโครงสร้างของกราไฟต์ - นี่คือดินสอธรรมดา อะตอมของคาร์บอนสร้างชั้นบาง ๆ ที่ทับซ้อนกันซ้ำ ๆ แต่ละชั้นประกอบด้วยเซลล์หกเหลี่ยมที่เชื่อมต่อกันเหมือนรังผึ้ง

ปัญหาคือการแยกหนึ่งชั้นออกจากด้านบนและด้านล่าง สำหรับชั้นเดียวของผลึกสองมิตินี้ ที่เรียกเช่นนี้เนื่องจากไม่มีมิติที่สาม มีการทำนายคุณสมบัติทางกายภาพที่น่าสนใจมากมาย มีการทดลองหลายครั้ง แต่ไม่สามารถบรรลุการแยกชั้นหนึ่งออกจากชั้นอื่น ๆ ทั้งหมดด้วยผลลัพธ์ที่มั่นคง

Andrey Geim และ Konstantin Novoselov คิดวิธีที่พวกเขาสามารถแยกเลเยอร์นี้ออกได้ และจากนั้นตรวจสอบให้แน่ใจว่าเป็นเลเยอร์เดียวจริงๆ จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็สามารถวัดคุณสมบัติทางกายภาพของมันและตรวจสอบว่าการคาดการณ์ทางทฤษฎีนั้นถูกต้องมากหรือน้อย การทดลองนี้ง่ายมาก: นักวิทยาศาสตร์ใช้ดินสอธรรมดา เศษกราไฟต์ ด้วยเทปกาวชั้นของกราไฟต์จะถูกลบออกจากนั้นพวกเขาก็เริ่มลอกออก เมื่อเหลือ 1-2 ชั้น กราไฟต์จะถูกถ่ายโอนไปยังพื้นผิวซิลิกอน

เหตุใดการทดลองก่อนหน้านี้จึงล้มเหลว เนื่องจาก (และนี่คือการทำนายในทางทฤษฎี) ฟิล์มกราฟีนซึ่งเป็นผลึกคาร์บอนสองมิติไม่เสถียรต่อการบิด ทันทีที่เธอเป็นอิสระเธอจะเริ่มขยำทันที มีความเห็นว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะแยกกราฟีน ผลงานของนักวิทยาศาสตร์เสร็จสิ้นในปี 2547 และในปี 2552 ได้รับชิ้นส่วนของกราฟีนแล้ว นั่นคือแผ่นกราฟีนขนาดเกือบหนึ่งเซนติเมตร และตอนนี้เรากำลังพูดถึงหลายสิบเซนติเมตร

ทำไมเราต้องการกราฟีนนี้เลย?

ขณะนี้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดกำลังเคลื่อนไปในทิศทางของการลดขนาดขององค์ประกอบต่างๆ เช่น ทรานซิสเตอร์ อิเล็กโทรด ฯลฯ ยิ่งองค์ประกอบภายในโปรเซสเซอร์มีขนาดเล็กลงเท่าใด ก็ยิ่งสามารถวางองค์ประกอบต่างๆ ได้มากขึ้นและสามารถประกอบโปรเซสเซอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นการดำเนินการทางตรรกะที่ซับซ้อนมากขึ้นจะดำเนินการในนั้น อะไรจะบางกว่าชั้นอะตอมหนึ่งชั้น? กราฟีนมีคุณสมบัติของความบาง

นอกจากนี้ยังนำไฟฟ้า และเกือบจะโปร่งใส ในขณะเดียวกันก็แข็งแกร่งพอ: เป็นหนึ่งในวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดต่อชั้นอะตอม มันแทบไม่ผ่านสารอื่น ๆ เลย แม้แต่ก๊าซฮีเลียมก็ไม่สามารถซึมผ่านกราฟีนได้ ดังนั้นนี่จึงเป็นการเคลือบที่เชื่อถือได้มาก สามารถใช้เช่นในหน้าจอสัมผัสเนื่องจากอิเล็กโทรดโปร่งใสจะไม่บดบังภาพ คุณสามารถลองใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ ตอนนี้พวกเขากำลังพยายามพัฒนาทรานซิสเตอร์จากกราฟีน จริงที่นี่มีปัญหา กราฟีนมีคุณสมบัติที่ผิดปกติซึ่งทำให้ยากต่อการใช้งานในทรานซิสเตอร์ แต่หลังจากที่เราได้เรียนรู้วิธีรับชั้นอะตอมแล้ว สิ่งเหล่านี้อาจเป็นอุปสรรคที่ยากจะเอาชนะได้ นี่เป็นวัสดุใหม่โดยพื้นฐาน ไม่เคยมีอะไรแบบนี้มาก่อน โมโนเลเยอร์ตัวนำที่บางที่สุดที่สามารถใช้ในเทคโนโลยีและในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ผู้ได้รับรางวัลโนเบลคนใหม่มีประวัติที่ค่อนข้างซับซ้อน หนึ่งในนั้นเป็นพลเมืองของเนเธอร์แลนด์ อีกคนหนึ่งมีหนังสือเดินทางสองเล่ม: อังกฤษและรัสเซีย พวกเขาทำงานในศูนย์วิทยาศาสตร์ในเมืองแมนเชสเตอร์ ประเทศอังกฤษ เท่าที่ทราบ วิทยาศาสตร์กำลังกลายเป็นสากลหรือเป็นชะตากรรมที่น่าเศร้าของนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียที่จะต้องค้นพบสิ่งยิ่งใหญ่ก็ต่อเมื่อพวกเขาไปต่างประเทศ?

เพื่อที่จะมีส่วนร่วมในงานทางวิทยาศาสตร์อย่างจริงจัง เราไม่เพียงต้องการวัสดุและฐานทางเทคนิคเท่านั้น แต่ยังต้องการความอุ่นใจอีกด้วย นักวิทยาศาสตร์ไม่ควรสับสนกับคำถามบางข้อ Andrei Game เมื่อ 10 ปีก่อนได้รับรางวัล Ig Nobel สำหรับการทดลองเกี่ยวกับการลอยด้วยแม่เหล็กของกบ Ig Nobel Prize เป็นเรื่องตลกที่ต่อต้านรางวัลสำหรับงานที่ไร้ความหมาย นักวิทยาศาสตร์ต้องการอิสระในการทำงาน แล้วเกิดไอเดีย วันนี้ฉันเลี้ยงกบลอยได้ พรุ่งนี้ฉันกินกราฟีน

หากบุคคลมีเงื่อนไขดังกล่าวแสดงว่าเขาทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ท้ายที่สุดแล้วผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปัจจุบันทั้งสองได้ศึกษาที่สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโก (Moscow Institute of Physics and Technology - RS) และในไม่ช้าพวกเขาก็ออกเดินทางไปฮอลแลนด์เพื่อไปบริเตนใหญ่เพราะบรรยากาศของงานนั้นเอื้ออำนวยต่อการค้นหาวิธีการทางวิทยาศาสตร์ที่จำเป็นสำหรับการทำวิจัย พวกเขาฉีกฟิล์มคาร์บอนออกด้วยเทปกาว แต่ต้องวัดด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณู ดังนั้นต้องมีกล้องจุลทรรศน์นี้ แน่นอนว่าในรัสเซียมี แต่เข้าถึงได้ยากกว่ามาก

ถ้าฉันบอกว่ารัสเซียมีการศึกษาขั้นพื้นฐานที่ดีที่ทำให้ผู้ได้รับรางวัลโนเบลเติบโตได้ แต่ในขณะเดียวกันก็ไม่มีฐานเทคโนโลยีขั้นสูงทางวิทยาศาสตร์ที่จริงจังสำหรับการทดลอง จะจริงหรือไม่?

เช่นเดียวกับการสรุปทั่วไปมีการยืดเยื้อที่นี่ ด้วยการศึกษา เราไม่ได้ดีและราบรื่นอีกต่อไป เพราะในหลายๆ แห่งโรงเรียนวิทยาศาสตร์กำลังถูกทำลาย มีงานของยุค 90 เกิดขึ้นพักใหญ่ มีโรงเรียนโดดเดี่ยวในรัสเซียที่ทุกอย่างยังไปได้สวย แต่มีปัญหาเกี่ยวกับอุปกรณ์และการทำวิจัยที่มีราคาแพงมาก ที่ไหนสักแห่งอุปกรณ์นี้สิ้นสุดลง: ในบางครั้งจะมีการซื้อที่ค่อนข้างจริงจังไปยังสถาบัน Kurchatov แต่จะนำไปใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใดนั้นเป็นคำถามใหญ่ ดังนั้นในบางแห่งจึงมีโรงเรียนวิทยาศาสตร์ที่แข็งแกร่งในขณะที่บางแห่งมีเงินทุนสำหรับเทคโนโลยี มันค่อนข้างยากที่จะแลกเปลี่ยนระหว่างกันด้วยเหตุผลของศักดิ์ศรีและระบบราชการ ในรัสเซียการวิจัยระดับสูงก็เป็นไปได้เช่นกัน แต่การดำเนินการนั้นยากกว่ามาก - การทำงานที่นี่เป็นสภาพแวดล้อมที่ยากกว่า

การวิจัยทางวิทยาศาสตร์มีหลายแง่มุม แต่มีพื้นที่แยกต่างหากที่คณะกรรมการโนเบลกำหนดให้เป็นความก้าวหน้าหรือไม่? อะไรง่ายกว่ากันที่จะได้รับรางวัลโนเบล? หรือไม่มีแนวทางดังกล่าว?

ฉันดูรายชื่อผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ยังไม่มีแนวโน้มที่ชัดเจน มีรางวัลค่อนข้างน้อยในสาขาฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน ปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพพื้นฐาน นี่เป็นสิ่งที่เข้าใจได้ - พวกเขาทำงานที่น่าสนใจที่นั่น แต่ที่นี่เราต้องคำนึงถึงประเด็นสำคัญ มักจะกล่าวกันว่าการจะได้รับรางวัลโนเบล การทำงานที่ก้าวหน้านั้นไม่เพียงพอ เรายังต้องอยู่จนกว่าจะถึงเวลาชื่นชม ดังนั้นตามกฎแล้วรางวัลโนเบลจึงมอบให้กับคนในวัยที่น่านับถือมาก จากมุมมองนี้ รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีนี้เป็นข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้ ตอนนี้ Novoselov อายุ 36 ปี ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ไม่มีกรณีเช่นนี้ในรางวัลทางฟิสิกส์ และในความคิดของฉัน ไม่เคยมีเลย! ในช่วง 8 ปีที่ผ่านมา ไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใดที่อายุต่ำกว่า 50 ปีได้รับรางวัลโนเบล และหลายคนได้รับรางวัลนี้เมื่ออายุ 70 ​​ปีหรือกระทั่ง 80 ปีสำหรับผลงานที่ทำเมื่อหลายสิบปีก่อน

รางวัลโนเบลปัจจุบันได้รับโดยละเมิดกฎ บางทีคณะกรรมการโนเบลอาจรู้สึกว่ารางวัลนี้กลายเป็นเรื่องผู้สูงอายุและควรลดอายุที่ได้รับลง ครั้งสุดท้ายที่ได้รับรางวัลสาขาฟิสิกส์เมื่ออายุ "ยังน้อย" ในปี 2544 ผู้ชนะมีอายุระหว่าง 40 ถึง 50 ปี

ตอนนี้เห็นได้ชัดว่ามีการติดตั้งสำหรับงานทดลองจริง ดังนั้น แม้ว่ารางวัลโนเบลจะไม่รวมดาราศาสตร์ แต่ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา มีสองรางวัลที่สำคัญมากในสาขาฟิสิกส์ดาราศาสตร์ มีการมอบรางวัลในฟิสิกส์พลังงานสูงและฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน ในฟิสิกส์ของสถานะของแข็ง ในฟิสิกส์ของสถานะควบแน่น นั่นคือ ของแข็ง ของเหลว และสถานะอื่นๆ ที่อะตอมอยู่ใกล้กัน งานเหล่านี้เกือบทั้งหมดไม่ทางใดก็ทางหนึ่งเชื่อมโยงกับฟิสิกส์ควอนตัม

ทำไมต้องเป็นทฤษฎีควอนตัม? เป็นเพราะความชอบส่วนตัวของสมาชิกคณะกรรมการโนเบลใช่หรือไม่? หรือมันคืออนาคตทางวิทยาศาสตร์ที่ใกล้ตัวที่สุดจริงๆ?

เหตุผลนั้นง่ายมาก ในความเป็นจริง ฟิสิกส์ทั้งหมด ยกเว้นทฤษฎีแรงโน้มถ่วง ตอนนี้เป็นควอนตัม สิ่งใหม่ๆ เกือบทุกอย่างที่กำลังดำเนินการในสาขาฟิสิกส์ ยกเว้นทิศทางด้านข้าง การปรับปรุงและความก้าวหน้าที่เคยมีมาในอดีต ล้วนมีพื้นฐานมาจากฟิสิกส์ควอนตัม แรงโน้มถ่วงเท่านั้นที่ยังไม่ยอมจำนนต่อ "ปริมาณ" นี้ และทุกสิ่งทุกอย่างที่เกี่ยวข้องกับรากฐานของฟิสิกส์ก็คือทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีควอนตัมของสสาร

เขาคือใคร? โนโวเซลอฟ คอนสแตนติน เซอร์เกวิช!

ชีวประวัติ

นักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงเกิดในเมือง Nizhny Tagil เขต Sverdlovsk เมื่อวันที่ 23 สิงหาคม พ.ศ. 2517 ในครอบครัวของวิศวกรและครูสอนภาษาอังกฤษที่โรงเรียนหมายเลข 39 ผู้ก่อตั้งและผู้อำนวยการซึ่งครั้งหนึ่งเคยเป็นปู่ของเขา Viktor Konstantinovich โนโวเซลอฟ

เมื่ออยู่ในชั้นประถมศึกษาปีที่ 6 คอนสแตนตินได้เปิดเผยความสามารถพิเศษและเป็นที่หนึ่งในฟิสิกส์โอลิมปิกระดับภูมิภาคและหลังจากนั้นไม่นานที่ All-Union Olympiad เขาก็ประสบความสำเร็จซ้ำอีกครั้งโดยเข้าสู่สิบอันดับแรก ในปี พ.ศ. 2534 เขาสำเร็จการศึกษาจากโรงเรียนสารบรรณสาขาฟิสิกส์และเทคโนโลยีเพิ่มเติม และในปีเดียวกันก็ได้เข้าเป็นนักศึกษาที่สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโก เขาศึกษาในสาขา "นาโนเทคโนโลยี" พิเศษที่คณะกายภาพและควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์ และสำเร็จการศึกษาด้วยเกียรตินิยมจากสถาบัน หลังจากนั้นเขาได้รับการว่าจ้างจาก IPTM RAS (สถาบันปัญหาเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ RAS) ในเชอร์โนโกลอฟกา เขาสำเร็จการศึกษาระดับสูงกว่าปริญญาตรีที่นั่นภายใต้การแนะนำของ Yuri Dubrovsky

ต่างประเทศ

ในปี 1999 Konstantin Sergeevich Novoselov นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงโด่งดังได้ย้ายไปเนเธอร์แลนด์ ที่มหาวิทยาลัย Nijmegen เขาทำงานร่วมกับ Andre Geim ตั้งแต่ปี 2544 นักวิทยาศาสตร์ได้ทำงานร่วมกันที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ในปี 2547 เขาได้รับปริญญาดุษฎีบัณฑิต (หัวหน้างาน Jan-Kees Maan)

ในขณะนี้ Konstantin Sergeevich Novoselov เป็นศาสตราจารย์ของ Royal Society และเป็นศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ และถือสองสัญชาติ (รัสเซียและบริเตนใหญ่) ตอนนี้อาศัยอยู่ที่แมนเชสเตอร์

วิจัย

Konstantin Sergeevich Novoselov เป็นที่รู้จักในเรื่องอะไร? ตามที่หน่วยงานวิเคราะห์ Thomson Reuters นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย - อังกฤษเป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่ถูกอ้างถึงบ่อยที่สุด จากปลายปากกาของเขามีบทความทางวิทยาศาสตร์ 190 บทความ อย่างไรก็ตาม งานวิจัยที่สำคัญที่สุดของเขาคือกราฟีน หลายคนคงเคยได้ยินคำนี้ซึ่งดูเหมือนง่ายและคุ้นเคย เทคโนโลยีนี้มีความกระชับและสง่างามเช่นเดียวกับความเฉลียวฉลาด มีความเป็นไปได้ที่การศึกษาเพิ่มเติมจะนำพามนุษยชาติเข้าสู่ยุคของอุปกรณ์พกพาและคอมพิวเตอร์ที่เร็วและบางเฉียบ รถยนต์ไฟฟ้า และโครงสร้างที่ทนทานแต่น้ำหนักเบามาก

รางวัล

เมื่อ Konstantin Sergeevich Novoselov เริ่มทำงานที่ University of Manchester เพื่อนร่วมงานอาวุโสจากรัสเซียกลายเป็นผู้นำของเขา ในเวลานั้น เขามีส่วนร่วมในการวิจัยในพื้นที่นี้มาเป็นเวลานานและสามารถทำซ้ำกลไกการติดอุ้งเท้าของตุ๊กแกได้ และจากนั้นเขาได้สร้างเทปกาวซึ่งต่อมานักฟิสิกส์ใช้ในการทำงานกับกราฟีน ก่อนหน้านั้น Geim ได้รับความช่วยเหลือจากนักศึกษาชาวจีนคนหนึ่ง แต่ตามที่นักฟิสิกส์กล่าวเอง งานเริ่มก้าวหน้าหลังจากที่ Konstantin Sergeevich Novoselov ลงมือทำธุรกิจ รางวัลโนเบลมอบให้พวกเขาในเดือนตุลาคม 2553 ปัจจุบัน โนโวเซลอฟเป็นที่รู้จักในฐานะผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ที่อายุน้อยที่สุด (ในช่วง 37 ปีที่ผ่านมา) นอกจากนี้ ในขณะนี้ เขาเป็นนักวิทยาศาสตร์คนเดียวในบรรดาผู้ได้รับรางวัลโนเบลที่เกิดหลังปี 1970

ในปี 2010 เดียวกัน Novoselov ได้รับตำแหน่ง Commander of the Order of the Netherlands Lion จากผลงานที่สำคัญของเขาในด้านวิทยาศาสตร์ของเนเธอร์แลนด์ และหลังจากนั้นไม่นาน ในปี 2011 พระราชกฤษฎีกาของ Queen Elizabeth ทำให้เขาได้รับปริญญาตรีอัศวินแล้ว สำหรับการสนับสนุนด้านวิทยาศาสตร์ในบริเตนใหญ่ พิธีมอบอัศวินอันศักดิ์สิทธิ์เกิดขึ้นหลังจากนั้นเล็กน้อยในฤดูใบไม้ผลิปี 2555 ตามที่คาดไว้ ณ พระราชวังบักกิงแฮม เป็นเจ้าภาพโดยเจ้าหญิงแอนน์ลูกสาวของราชินี

ต้องบอกว่า Konstantin Sergeevich Novoselov ซึ่งมีกิจกรรมทางวิทยาศาสตร์และสังคมที่กว้างขวางมาก ได้รับรางวัลอันทรงเกียรติอีกรางวัลสำหรับการวิจัยกราฟีน และกลายเป็นผู้ชนะรางวัล Europhysics Prize ในปี 2551 มีการมอบรางวัลทุก ๆ สองปี มีผู้ได้รับรางวัลโนเบลเพียงสิบสามคนในบรรดาผู้ได้รับรางวัล รางวัลประกอบด้วยรางวัลที่เป็นตัวเงินและใบรับรองที่เกี่ยวข้อง นอกจากนี้เขายังได้รับรางวัล Kurti Prize แต่ไม่ใช่สำหรับกราฟีน แต่เป็นรายการความสำเร็จในการทำงานกับทรงกลมที่มีอุณหภูมิต่ำและสนามแม่เหล็ก

เกี่ยวกับครอบครัวและชีวิต

Konstantin Novoselov แต่งงานอย่างมีความสุขกับ Irina ภรรยาของเขา แม้ว่าเธอจะเป็นคนรัสเซียด้วย แต่นักวิทยาศาสตร์ก็พบกันในต่างประเทศที่เนเธอร์แลนด์ Irina มาจาก Vologda เธอมีส่วนร่วมในการวิจัยด้านจุลชีววิทยา (เธอปกป้องวิทยานิพนธ์ของเธอในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก) ทั้งคู่มีลูกสาวสองคน ฝาแฝด Sofya และ Vika เกิดในปี 2009

ในคำพูดของเขาเอง Konstantin Sergeevich ไม่ใช่พ่อที่นั่งอยู่ในห้องทดลองเป็นเวลาหลายสัปดาห์โดยคิดถึงวัยเด็กของลูก ๆ ของเขาเอง เพื่อให้เขาประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ที่เล็กที่สุดในโลกและสอนลูกสาวให้นับถึงยี่สิบเจ็ด - สิ่งที่อยู่ในแถวเดียวกัน "ไม่มีใครเคยทำสิ่งนี้มาก่อนคุณ" เขากล่าว

ในทางกลับกัน พ่อแม่ของเขาไม่เคยพยายามจำกัดความสนใจของลูกชาย พวกเขามั่นใจเสมอว่าลูกชายของพวกเขามีพรสวรรค์มาก และอย่างที่นักฟิสิกส์พูดเอง พวกเขาไม่แปลกใจเมื่อเขาได้รับรางวัลโนเบล

ในการให้สัมภาษณ์กับนิตยสาร Esquire เขายอมรับว่าเขาฝันอยากเรียนเปียโน เขากำลังเรียนรู้ อย่างไรก็ตาม ด้วยการยอมรับของเขาเอง ผลลัพธ์ที่ได้จนถึงตอนนี้ก็ยังธรรมดา

เกี่ยวกับสหภาพโซเวียต

Konstantin Sergeevich เกิดในสหภาพโซเวียตและได้รับการศึกษาที่ยอดเยี่ยม ตัวเขาเองยอมรับว่ามีสถานที่ไม่กี่แห่งที่คุณจะได้รับความรู้ที่ลึกซึ้งเช่นนี้ แต่เขาจะไม่กลับไปรัสเซีย บางทีอาจเป็นเพราะเหตุนี้นักข่าวบางคนตำหนิเขาโดยไม่เจตนาเพราะเขาไม่มีความรักชาติ สำหรับสิ่งนี้ นักวิทยาศาสตร์ตอบว่า ไม่ใช่เรื่องเงิน แค่ทำงานในอังกฤษจะสงบกว่า เพราะไม่มีใครแทรกแซงกิจการของคุณ

Novoselov ใช้ชีวิตเบา ๆ ไม่ยึดติดกับความล้มเหลว - นี่คือกฎพื้นฐานข้อหนึ่งของเขา หากมีปัญหาในความสัมพันธ์กับผู้คนเขาพยายามที่จะไม่นำไปสู่การหยุดพัก แต่ถ้าสิ่งนี้หลีกเลี่ยงไม่ได้เขาจะทิ้งคำพูดสุดท้ายไว้กับบุคคลอื่น นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงคนหนึ่งมีปัญหาชีวิตร่วมกันมากมาย เช่น เขาพร้อมที่จะใช้เงินเพียงเพื่อให้ได้เวลาว่าง

แต่เขาไม่ได้แบ่งชีวิตของเขาออกเป็นงานและการพักผ่อนบางทีนี่อาจเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตของนักวิทยาศาสตร์ ที่บ้านเขาคิดเกี่ยวกับฟิสิกส์และที่ทำงานเขาเพียงแค่พักผ่อน

กราฟีนคืออะไร

แม้จะมีความสำเร็จทั้งหมดในสาขาฟิสิกส์ แต่งานหลักของ Novoselov คือและยังคงเป็นกราฟีน โครงสร้างนี้ซึ่งได้รับเป็นครั้งแรกในห้องปฏิบัติการโดยเพื่อนร่วมชาติของเราคือ "กริด" สองมิติของอะตอมคาร์บอนที่มีความหนาเพียงหนึ่งอะตอม โนโวเซลอฟเองอ้างว่าเทคโนโลยีนี้ไม่ซับซ้อนและใคร ๆ ก็สามารถสร้างกราฟีนได้ เกือบทั้งหมดมาจากวิธีชั่วคราว เขาบอกว่า แค่ได้กราไฟท์ดีๆ สักตัวเพื่อเริ่มต้นใช้งาน แม้ว่าคุณจะใช้ดินสอและติดแผ่นเวเฟอร์และเทปซิลิกอนเพียงเล็กน้อยก็เพียงพอแล้ว ทุกอย่าง ชุดสำหรับสร้างกราฟีนพร้อมแล้ว! ดังนั้นเนื้อหาจะไม่กลายเป็นทรัพย์สินขององค์กรขนาดใหญ่โดยเฉพาะ Novoselov และ Game ได้บริจาคให้กับคนทั้งโลกอย่างแท้จริง

คุณสมบัติที่น่าทึ่ง

นักฟิสิกส์รู้สึกประหลาดใจกับคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุนี้เช่นกัน ตามที่เขาพูด กราฟีนสามารถใช้ในทรานซิสเตอร์ ซึ่งเป็นสิ่งที่บางบริษัทกำลังพยายามทำอยู่แล้ว โดยแทนที่ชิ้นส่วนที่คุ้นเคยในอุปกรณ์พกพา

จากข้อมูลของ Novoselov กราฟีนจะปฏิวัติเทคโนโลยี ส่วนประกอบสำคัญของภาพยนตร์นิยายวิทยาศาสตร์คืออุปกรณ์ที่น่าทึ่ง โปร่งใส บาง ไม่แตกหัก และมีฟังก์ชันการทำงานที่ยอดเยี่ยม หากกราฟีนค่อย ๆ เข้ามาแทนที่ซิลิกอนที่ล้าสมัย เทคโนโลยีจากโรงภาพยนตร์ก็จะปรากฏขึ้นในชีวิต

มีอะไรที่น่าทึ่งอีกเกี่ยวกับการศึกษาของ Novoselov และ Geim? ความจริงที่ว่าพวกเขาย้ายจากห้องปฏิบัติการไปยังสายพานลำเลียงเกือบจะในทันทีและยิ่งกว่านั้น - กลายเป็นประโยชน์อย่างมากในช่วงปีแรก ๆ

เทคโนโลยีในอนาคต

ตอนนี้กราฟีนใช้อยู่ที่ไหน? ดูเหมือนว่าเนื้อหาที่ค้นพบเมื่อเร็ว ๆ นี้ยังไม่สามารถแพร่กระจายในวงกว้างได้ และนี่ก็เป็นความจริงบางส่วน การพัฒนาเกือบทั้งหมดยังคงเป็นการทดลองในธรรมชาติและยังไม่ได้ออกสู่การผลิตจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม ขณะนี้พวกเขากำลังพยายามใช้สารนี้ในทุกพื้นที่ ซึ่งอาจเรียกได้ว่าเป็น "ไข้กราฟีน" อย่างแท้จริง

กราฟีนเองแม้จะมีน้ำหนักเบาและเกือบจะโปร่งใส (ดูดซับแสงที่ส่องผ่านได้ 2% ซึ่งเท่ากับกระจกหน้าต่างทั่วไปทุกประการ) แต่วัสดุก็มีความทนทานมาก การศึกษาล่าสุดโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันแสดงให้เห็นว่ากราฟีนผสมกับพลาสติกได้ดี ส่งผลให้เป็นวัสดุที่แข็งแรงเป็นพิเศษซึ่งสามารถใช้ได้ในทุกสิ่งตั้งแต่เฟอร์นิเจอร์และโทรศัพท์มือถือไปจนถึงวิทยาศาสตร์จรวด

ต้นแบบของแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าได้ถูกสร้างขึ้นจากกราฟีนแล้ว โดดเด่นด้วยความจุสูงและเวลาในการชาร์จสั้น บางทีนี่อาจเป็นวิธีแก้ปัญหาเกี่ยวกับรถยนต์ไฟฟ้า และการขนส่งจะมีราคาถูกและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

กราฟีนใช้ในการพัฒนาแผงสัมผัสแบบใหม่สำหรับโทรศัพท์ หากเซ็นเซอร์แบบดั้งเดิมสามารถทำงานได้บนพื้นผิวเรียบเท่านั้น กราฟีนก็ไม่มีข้อเสียนี้ เพราะสามารถดัดงอได้ตามต้องการ นอกจากนี้การนำไฟฟ้าสูงจะทำให้การตอบสนองน้อยที่สุด

ในการบิน

ร่างกายของจรวดและเครื่องบินที่ทำจากกราฟีนจะมีน้ำหนักเบากว่าหลายเท่า ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนเชื้อเพลิงได้อย่างมาก เที่ยวบินจะมีราคาถูกมากจนใคร ๆ ก็สามารถเดินทางไปยังอีกฟากหนึ่งของโลกได้ แต่นอกเหนือจากปริมาณผู้โดยสารแล้ว แน่นอนว่าสิ่งนี้จะส่งผลกระทบต่อปริมาณการขนส่งสินค้าด้วย อุปทานของมุมที่ห่างไกลของโลกจะดีขึ้นมาก ซึ่งหมายความว่าผู้คนจำนวนมากจะอาศัยและทำงานที่นั่น

มอสโก 5 ตุลาคม - RIA Novostiรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2010 เป็นการเฉลิมฉลองสำหรับสองประเทศพร้อมกัน สำหรับบ้านเกิดของผู้ได้รับรางวัล - รัสเซีย และสำหรับบ้านเกิดของพวกเขา - อังกฤษ นักวิชาการชาวสวีเดนมอบรางวัลทางวิทยาศาสตร์สูงสุดแก่ Andrey Geim และ Konstantin Novoselov สำหรับการค้นพบคาร์บอนกราฟีนในรูปแบบสองมิติ ทำให้นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียบ่นเรื่องสมองไหล และนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษหวังว่าจะได้รับทุนสนับสนุนด้านวิทยาศาสตร์อย่างต่อเนื่อง

“น่าเสียดายที่ Geim และ Novoselov ค้นพบในต่างประเทศ” Alexei Khohlov หัวหน้าภาควิชาโพลิเมอร์และคริสตัลฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโกกล่าวกับ RIA Novosti

"รัฐบาลควรเรียนรู้จากการตัดสินใจของคณะกรรมการโนเบล" - ศาสตราจารย์ Martin Reese ประธานสมาคมวิทยาศาสตร์แห่งราชบัณฑิตยสถานให้ความเห็นเกี่ยวกับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ เขาจำได้ว่านักวิทยาศาสตร์หลายคน รวมทั้งคนต่างชาติที่ทำงานในอังกฤษ ในกรณีที่มีงบประมาณจำกัด ก็สามารถออกเดินทางไปประเทศอื่นได้

รัฐบาลอังกฤษในวันที่ 20 ตุลาคมจะประกาศแผนการลดการใช้จ่ายของรัฐบาลอย่างจริงจัง วิทยาศาสตร์และการศึกษาระดับสูงคาดว่าจะเป็นหนึ่งในพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากการตัดมากที่สุด

MIPT จบการศึกษาจาก Game และ Novoselov ซึ่งทำงานในแมนเชสเตอร์ ได้รับรางวัล "สำหรับการบุกเบิกการทดลองเกี่ยวกับการศึกษาวัสดุกราฟีนสองมิติ" พวกเขาจะแบ่งเงิน 10 ล้านโครนาสวีเดน (ประมาณ 1 ล้านยูโร) ให้กับพวกเขาด้วยกันเอง พิธีมอบรางวัลจะจัดขึ้นที่กรุงสตอกโฮล์มในวันที่ 10 ธันวาคม ซึ่งเป็นวันที่ผู้ก่อตั้ง Alfred Nobel เสียชีวิต

กราฟีนกลายเป็นวัสดุสองมิติชนิดแรกในประวัติศาสตร์ ซึ่งประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนชั้นเดียวที่เชื่อมต่อกันด้วยโครงสร้างของพันธะเคมีที่คล้ายกับโครงสร้างของรังผึ้งในรูปทรงเรขาคณิต เชื่อกันมานานแล้วว่าโครงสร้างดังกล่าวเป็นไปไม่ได้

"เชื่อกันว่าคริสตัลชั้นเดียวสองมิติเช่นนี้ไม่สามารถดำรงอยู่ได้ พวกมันจะต้องสูญเสียความเสถียรและกลายเป็นอย่างอื่น เพราะจริงๆ แล้วมันเป็นระนาบที่ไม่มีความหนา" อดีตหัวหน้าผู้ได้รับรางวัล ผู้อำนวยการสถาบันเพื่อปัญหา ของเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์และวัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูงของ Russian Academy of Sciences (IPTM) กล่าวกับ RIA Novosti ) Vyacheslav Tulin

อย่างไรก็ตาม วัสดุที่ "เป็นไปไม่ได้" นั้นมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีเฉพาะตัวที่ทำให้ขาดไม่ได้ในด้านต่างๆ กราฟีนนำไฟฟ้าได้เช่นเดียวกับทองแดง สามารถใช้สร้างหน้าจอสัมผัส เซลล์แสงอาทิตย์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นได้

"นี่คือการปฏิวัติในอนาคตของไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ถ้าตอนนี้คอมพิวเตอร์มีขนาดกิกะเฮิรตซ์ พวกมันก็จะมีขนาดเป็นเทระเฮิรตซ์และอื่นๆ ทรานซิสเตอร์และองค์ประกอบอื่นๆ ทั้งหมดของวงจรอิเล็กทรอนิกส์จะถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของกราฟีน" Alexei Fomichev ศาสตราจารย์แห่งแผนก MIPT ของ Quantum Electronics กล่าวกับ RIA Novosti

แกรฟีนได้ค้นพบการใช้งานด้านหนึ่งแล้ว: เซลล์แสงอาทิตย์โซลาร์เซลล์ Alexander Vul หัวหน้าห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ของโครงสร้างคลัสเตอร์กล่าวว่า “ก่อนหน้านี้ อินเดียมออกไซด์เจือด้วยดีบุกถูกใช้เป็นอิเล็กโทรดโปร่งใสในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ แต่ปรากฎว่า กราฟีนหลายชั้นมีประสิทธิภาพมากกว่ามาก” Alexander Vul หัวหน้าห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ของโครงสร้างกลุ่มที่ สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก Ioffe, Russian Academy of Sciences

คนแรกจากภาควิชาฟิสิกส์และเทคโนโลยี

Andrei Geim และ Konstantin Novoselov เป็นผู้สำเร็จการศึกษาคนแรกของสถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโกที่ได้รับรางวัลโนเบล ก่อนหน้านั้น ผู้ก่อตั้งและพนักงานของสถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโก - Petr Kapitsa, Nikolai Semenov, Lev Landau, Igor แทมม์, อเล็กซานเดอร์ โปรโครอฟ, นิโคไล บาซอฟ, วิทาลี กินซ์เบิร์ก และอเล็กเซย์ อาบริโคซอฟ Geim จบการศึกษาจากคณะทั่วไปและฟิสิกส์ประยุกต์ (FOPF) ในปี 1982, Novoselov - จากคณะกายภาพและควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์ (FFKE) ในปี 1997 บัณฑิตทั้งสองได้รับวุฒิบัตรสีแดง

“นี่เป็นข่าวสุดยอด เรายินดีเป็นอย่างยิ่งกับการตัดสินใจของคณะกรรมการโนเบล MIPT ได้ส่งคำแสดงความยินดีไปยังผู้ได้รับรางวัลโนเบลคนใหม่แล้ว” อธิการบดี Nikolai Kudryavtsev ของ MIPT กล่าวกับ RIA Novosti เมื่อวันอังคาร

ตามที่อธิการบดีกล่าว เจ้าหน้าที่ "ยกแฟ้มส่วนตัวของพวกเขาจากเอกสารสำคัญและตรวจสอบให้แน่ใจว่าพวกเขาเป็นนักเรียนดีเด่น" ในเวลาเดียวกัน Andrey Geim ไม่ได้เข้าสถาบันในครั้งแรกหลังจากทำงานที่โรงงานเป็นเวลาหนึ่งปี แต่ "แสดงความมุ่งมั่น" และกลายเป็นนักศึกษาที่สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโก

"ตลอดระยะเวลาการศึกษาที่ FOPF Geim ได้รับคำวิจารณ์สูงสุดจากอาจารย์ และงานสุดท้ายของ Geim ได้รับคะแนนสูงเป็นพิเศษจากคณะกรรมการประกาศนียบัตร" หัวหน้าสถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโกกล่าว

Konstantin Novoselov นักเรียนกลุ่มที่ 152 ของคณะกายภาพและควอนตัมอิเลคทรอนิคส์ตามที่ Kudryavtsev ตั้งข้อสังเกตว่า

"และบทวิจารณ์ของอาจารย์เกี่ยวกับโนโวเซลอฟก็สูงที่สุดเช่นกัน ซึ่งหมายความว่าเขามีความสามารถมากจนโดยทั่วไปแล้วไม่จำเป็นต้องไปเรียนทุกวิชา" อธิการบดีสถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโกแสดงความคิดเห็น เอกสารจดหมายเหตุ

จากชโนเบลสู่โนเบล

เพื่อนร่วมงานของไกม์ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟกลายเป็นผู้ได้รับรางวัลโนเบลที่อายุน้อยที่สุดที่มีสัญชาติรัสเซีย: นักฟิสิกส์วัย 36 ปีอายุน้อยกว่า Nikolai Basov เพื่อนร่วมงานชาวโซเวียตของเขาหกปีซึ่งได้รับรางวัล 1964 ในปี 1964 จากผลงานของเขาในสาขาอิเล็กทรอนิกส์ควอนตัมซึ่งนำไปสู่การสร้าง ของอิมิตเตอร์และแอมพลิฟายเออร์ตามหลักการของเลเซอร์มาเซอร์

ผู้ได้รับรางวัลโนเบลที่อายุน้อยที่สุดในประวัติศาสตร์คือลอว์เรนซ์ แบรกก์ ซึ่งเมื่ออายุ 25 ปีได้แบ่งปันรางวัลสาขาฟิสิกส์กับวิลเลียม เฮนรี แบรกก์ บิดาของเขา สี่ตำแหน่งถัดไปในรายชื่อผู้ได้รับรางวัลที่อายุน้อยที่สุดในประวัติศาสตร์ยังเป็นของนักฟิสิกส์อีกด้วย: Werner Heisenberg, Zongdao Li, Karl Anderson และ Paul Dirac ได้รับรางวัลเมื่ออายุ 31 ปี

อย่างไรก็ตาม คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ จะปรากฏในประวัติศาสตร์ในฐานะสมาชิกรุ่นแรกที่เกิดในทศวรรษ 1970 นักฟิสิกส์ Eric Cornell นักชีววิทยา Carol Greider และ Craig Mello และประธานาธิบดี Barack Obama ของสหรัฐฯ ผู้ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาสันติภาพ เป็นตัวแทนของทศวรรษที่ผ่านมาในรายชื่อผู้ได้รับรางวัล ไม่มีใครอายุน้อยกว่าปี 1961 ยกเว้นโนโวเซลอฟในรายชื่อผู้ได้รับรางวัล

จากบรรณาธิการ: เมื่อพูดถึงหัวข้อความทันสมัยของเศรษฐกิจรัสเซียและการพัฒนาเทคโนโลยีระดับสูงในประเทศของเรา เราได้กำหนดภารกิจที่ไม่เพียง แต่จะดึงความสนใจของผู้อ่านไปยังข้อบกพร่องเท่านั้น แต่ยังพูดถึงตัวอย่างในเชิงบวกด้วย นอกจากนี้ยังมีและอีกมากมาย เมื่อสัปดาห์ที่แล้วเราได้พูดคุยเกี่ยวกับการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงในรัสเซีย และวันนี้เราจะพูดถึงกราฟีนสำหรับการศึกษาคุณสมบัติที่ "คนในอดีตของเรา" เพิ่งได้รับรางวัลโนเบล ปรากฎว่าในรัสเซียหรือในโนโวซีบีสค์พวกเขากำลังทำงานเกี่ยวกับเนื้อหานี้อย่างจริงจัง

ซิลิคอนซึ่งเป็นพื้นฐานของไมโครอิเล็กทรอนิกส์ได้รับตำแหน่งอย่างมั่นคงในด้านเทคโนโลยีขั้นสูง และสิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ ประการแรก มันค่อนข้างง่ายที่จะบอกคุณสมบัติที่ต้องการให้กับซิลิกอน ประการที่สอง วิทยาศาสตร์เป็นที่รู้จักมาเป็นเวลานาน และได้รับการศึกษา "ขึ้นและลง" เหตุผลที่สามคือมีการลงทุนเงินจำนวนมหาศาลในเทคโนโลยีซิลิกอน และน้อยคนนักที่จะกล้าเดิมพันกับวัสดุใหม่ในตอนนี้ ท้ายที่สุดจำเป็นต้องสร้างภาคอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ขึ้นใหม่ แทนที่จะสร้างมันขึ้นมาใหม่ตั้งแต่ต้น

อย่างไรก็ตาม มีคู่แข่งรายอื่นในการเป็นผู้นำในฐานะวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ตัวอย่างเช่น กราฟีนซึ่งหลังจากได้รับรางวัลโนเบลจากการศึกษาคุณสมบัติของมันได้กลายเป็นที่นิยมอย่างมาก แท้จริงแล้วมีเหตุผลที่ต้องเปลี่ยนจากซิลิคอนเนื่องจากกราฟีนมีข้อได้เปรียบที่สำคัญหลายประการ แต่ไม่ว่าเราจะลงเอยด้วย "อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้กราฟีน" หรือไม่นั้นยังไม่ชัดเจน เพราะนอกจากจะมีข้อดีแล้ว ยังมีข้อเสียอีกด้วย

เพื่อพูดคุยเกี่ยวกับโอกาสของกราฟีนในไมโครอิเล็กทรอนิกส์และคุณสมบัติเฉพาะของมัน เราได้พบกับหัวหน้านักวิจัยในโนโวซีบีร์สค์ของสถาบันเคมีอนินทรีย์ในโนโวซีบีร์สค์ A. V. Nikolaev SB RAS, ดุษฎีบัณฑิตสาขาวิทยาศาสตร์เคมี, ศาสตราจารย์ Vladimir Fedorov

อัลลา อาร์ชิโนวา: Vladimir Efimovich ตำแหน่งปัจจุบันของซิลิคอนในไมโครอิเล็กทรอนิกส์คืออะไร?

วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: ซิลิคอนถูกใช้ในอุตสาหกรรมเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลักมาเป็นเวลานาน ความจริงก็คือมันถูกเจือได้ง่ายนั่นคือสามารถเพิ่มอะตอมขององค์ประกอบต่าง ๆ ซึ่งเปลี่ยนคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีในทางตรง การดัดแปลงซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงเช่นนี้ทำให้ได้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n หรือ p ดังนั้น การเติมซิลิโคนตามทิศทางจึงควบคุมคุณสมบัติเชิงหน้าที่ของวัสดุที่มีความสำคัญต่อไมโครอิเล็กทรอนิกส์

ซิลิกอนเป็นวัสดุที่ไม่เหมือนใครอย่างแท้จริง และนี่คือเหตุผลว่าทำไมความพยายาม เงิน และทรัพยากรทางปัญญาจำนวนมากจึงทุ่มเทไปกับมัน คุณสมบัติพื้นฐานของซิลิกอนได้รับการศึกษาอย่างละเอียดจนมีความเห็นอย่างกว้างขวางว่าไม่สามารถทดแทนได้ อย่างไรก็ตาม การวิจัยเมื่อเร็วๆ นี้เกี่ยวกับกราฟีนได้ให้แสงสีเขียวแก่อีกมุมมองหนึ่ง ซึ่งก็คือวัสดุใหม่สามารถพัฒนาไปสู่จุดที่สามารถใช้แทนซิลิกอนได้

โครงสร้างผลึกของซิลิกอน

การอภิปรายดังกล่าวเกิดขึ้นเป็นระยะในทางวิทยาศาสตร์และจะได้รับการแก้ไขหลังจากการวิจัยอย่างจริงจังเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เมื่อเร็ว ๆ นี้มีสถานการณ์ที่คล้ายกันกับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ในปี 1986 เบดนอร์ซและมุลเลอร์ค้นพบตัวนำยิ่งยวดในแบเรียม-แลนทานัม-คอปเปอร์ออกไซด์ (สำหรับการค้นพบนี้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลในปี 1987 - หนึ่งปีหลังจากการค้นพบ!) ซึ่งตรวจพบที่อุณหภูมิสูงกว่าค่าอย่างมีนัยสำคัญ คุณลักษณะของเวลาที่ทราบของวัสดุตัวนำยิ่งยวด ในเวลาเดียวกัน โครงสร้างของสารประกอบตัวนำยิ่งยวดแบบ Cuprate แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ จากนั้น การศึกษาระบบที่เกี่ยวข้องในลักษณะเหมือนหิมะถล่มได้นำไปสู่การผลิตวัสดุที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวดที่ 90 K ขึ้นไป ซึ่งหมายความว่าฮีเลียมเหลวที่ไม่แพงและไม่แน่นอนสามารถใช้เป็นสารทำความเย็นได้ แต่ไนโตรเจนเหลว - มีอยู่มากมายในธรรมชาติในรูปของก๊าซและนอกจากนี้ยังมีราคาถูกกว่าฮีเลียมมาก

แต่โชคไม่ดีที่ความรู้สึกสบายนี้ผ่านไปไม่นานหลังจากการวิจัยอย่างรอบคอบเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงชนิดใหม่ วัสดุโพลีคริสตัลไลน์เหล่านี้ เช่นเดียวกับออกไซด์เชิงซ้อนอื่นๆ คล้ายกับเซรามิก: พวกมันเปราะและไม่เหนียว ปรากฎว่าตัวนำยิ่งยวดภายในคริสตัลแต่ละอันมีพารามิเตอร์ที่ดี แต่ในตัวอย่างที่มีขนาดกะทัดรัด กระแสวิกฤตค่อนข้างต่ำ ซึ่งเกิดจากการสัมผัสที่อ่อนแอระหว่างเม็ดของวัสดุ จุดเชื่อมต่อที่อ่อนแอของ Josephson ระหว่างเกรนที่มีตัวนำยิ่งยวดทำให้ไม่สามารถประดิษฐ์วัสดุ (เช่น ทำลวด) ที่มีคุณลักษณะที่มีตัวนำยิ่งยวดสูงได้

แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้โพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอน

สถานการณ์เดียวกันนี้อาจเกิดขึ้นได้กับกราฟีน ในปัจจุบันพบคุณสมบัติที่น่าสนใจมากสำหรับมัน แต่ยังต้องทำการวิจัยอย่างละเอียดเพื่อตอบคำถามเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการได้รับวัสดุนี้ในระดับอุตสาหกรรมและใช้ในนาโนอิเล็กทรอนิกส์

อัลลา อาร์ชิโนวา: คุณช่วยอธิบายได้ไหมว่ากราฟีนคืออะไรและแตกต่างจากกราไฟต์อย่างไร

วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: กราฟีนเป็นชั้นอะตอมเดี่ยวที่เกิดจากอะตอมของคาร์บอน ซึ่งมีลักษณะเหมือนกราไฟต์คือมีโครงตาข่ายรูปรังผึ้ง และแกรไฟต์ก็เรียงซ้อนทับกันเป็นกองชั้นกราฟีนตามลำดับ ชั้นแกรฟีนในกราไฟต์เชื่อมต่อกันโดยพันธะแวนเดอร์วาลส์ที่อ่อนแอมาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมในท้ายที่สุดจึงเป็นไปได้ที่จะแยกชั้นเหล่านี้ออกจากกัน เมื่อเราเขียนด้วยดินสอ นี่คือตัวอย่างข้อเท็จจริงที่ว่าเราลอกกราไฟต์เป็นชั้นๆ จริงอยู่ ร่องรอยของดินสอที่เหลืออยู่บนกระดาษยังไม่ใช่กราฟีน แต่เป็นโครงสร้างหลายชั้นของกราฟีน

ตอนนี้เด็กทุกคนสามารถพูดอย่างจริงจังว่าเขาไม่เพียงแค่แปลกระดาษ แต่สร้างโครงสร้างหลายชั้นของกราฟีนที่ซับซ้อนที่สุด

แต่ถ้าเป็นไปได้ที่จะแยกโครงสร้างดังกล่าวเป็นชั้นเดียว จะได้กราฟีนที่แท้จริง การแยกที่คล้ายกันนี้ดำเนินการโดยผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ Geim และ Novoselov ประจำปีนี้ พวกเขาสามารถแยกกราไฟท์ด้วยเทปกาวและหลังจากศึกษาคุณสมบัติของ "ชั้นกราไฟท์" นี้แล้วพบว่ามีพารามิเตอร์ที่ดีมากสำหรับใช้ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ คุณสมบัติที่โดดเด่นอย่างหนึ่งของกราฟีนคือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูง พวกเขากล่าวว่ากราฟีนจะกลายเป็นวัสดุที่ขาดไม่ได้สำหรับคอมพิวเตอร์ โทรศัพท์ และอุปกรณ์อื่นๆ ทำไม เนื่องจากในพื้นที่นี้มีแนวโน้มที่จะเร่งขั้นตอนการประมวลผลข้อมูล รูทีนเหล่านี้เกี่ยวข้องกับความถี่สัญญาณนาฬิกา ยิ่งความถี่ในการทำงานสูงเท่าไร การประมวลผลต่อหน่วยเวลาก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นความเร็วของผู้ให้บริการชาร์จจึงมีความสำคัญมาก ปรากฎว่าตัวพาประจุในกราฟีนทำตัวเหมือนอนุภาคสัมพัทธภาพที่มีมวลเป็นศูนย์ คุณสมบัติดังกล่าวของกราฟีนช่วยให้เราหวังว่าจะสามารถสร้างอุปกรณ์ที่สามารถทำงานที่ความถี่ระดับ terahertz ซึ่งซิลิคอนไม่สามารถเข้าถึงได้ นี่เป็นหนึ่งในคุณสมบัติที่น่าสนใจที่สุดของวัสดุ

ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ 2010 Andrey Geim และ Konstantin Novoselov

ฟิล์มที่ยืดหยุ่นและโปร่งใสสามารถหาได้จากกราฟีน ซึ่งน่าสนใจมากสำหรับการใช้งานหลายประเภท ข้อดีอีกอย่างคือมันเป็นวัสดุที่เรียบง่ายและเบามาก เบากว่าซิลิกอน นอกจากนี้ยังมีคาร์บอนมากมายในธรรมชาติ ดังนั้นหากพวกเขาพบวิธีนำวัสดุนี้ไปใช้ในเทคโนโลยีระดับสูงจริงๆ แน่นอนว่าวัสดุดังกล่าวจะมีแนวโน้มที่ดีและอาจเข้ามาแทนที่ซิลิคอนในที่สุด

แต่มีปัญหาพื้นฐานอย่างหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ของตัวนำที่มีมิติต่ำ ดังที่ทราบกันดีว่าวัตถุที่เป็นของแข็งนั้นถูกแบ่งออกเป็นระบบเชิงพื้นที่ต่างๆ ตัวอย่างเช่น ระบบ 3D (สามมิติ) รวมถึงคริสตัลจำนวนมาก ระบบสองมิติ (2D) แสดงด้วยคริสตัลหลายชั้น และโครงสร้างโซ่เป็นของระบบหนึ่งมิติ (1D) ดังนั้นโครงสร้างแบบเลเยอร์ 1D แบบมิติต่ำและแบบ 2D ที่มีคุณสมบัติเป็นโลหะจะไม่เสถียรจากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์ เมื่ออุณหภูมิลดลง พวกมันมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นระบบที่สูญเสียคุณสมบัติของโลหะ สิ่งเหล่านี้เรียกว่าการเปลี่ยนผ่านของฉนวนโลหะ วัสดุกราฟีนจะมีความเสถียรเพียงใดในอุปกรณ์บางอย่าง แน่นอน กราฟีนมีความน่าสนใจทั้งในแง่ของคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกล เชื่อกันว่าชั้นเสาหินของกราฟีนมีความแข็งแรงมาก

อัลลา อาร์ชิโนวา: แข็งแกร่งกว่าเพชร?

วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: เพชรมีพันธะสามมิติ โดยกลไกแล้วเพชรมีความแข็งแกร่งมาก ในกราไฟต์ในระนาบ พันธะระหว่างอะตอมจะเหมือนกัน อาจจะแรงกว่า ความจริงก็คือจากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์ เพชรควรเปลี่ยนเป็นกราไฟต์ เนื่องจากกราไฟต์มีความเสถียรมากกว่าเพชร แต่ในวิชาเคมี มีปัจจัยสำคัญสองประการที่ควบคุมกระบวนการเปลี่ยนแปลง ได้แก่ ความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ของเฟสและจลนพลศาสตร์ของกระบวนการ นั่นคือ อัตราการเปลี่ยนแปลงของเฟสหนึ่งไปสู่อีกเฟสหนึ่ง ดังนั้น เพชรจึงนอนอยู่ในพิพิธภัณฑ์ของโลกมาหลายศตวรรษแล้ว และพวกเขาไม่ต้องการเปลี่ยนเป็นกราไฟต์ แม้ว่าควรจะเป็นเช่นนั้นก็ตาม บางทีในอีกหลายล้านปีพวกเขาจะยังคงกลายเป็นกราไฟท์แม้ว่ามันจะน่าเสียดายก็ตาม กระบวนการเปลี่ยนเพชรเป็นกราไฟต์ที่อุณหภูมิห้องนั้นช้ามาก แต่ถ้าคุณให้ความร้อนแก่เพชรที่อุณหภูมิสูง สิ่งกีดขวางทางจลนศาสตร์จะเอาชนะได้ง่ายกว่า และสิ่งนี้จะเกิดขึ้นอย่างแน่นอน

กราไฟท์ในรูปแบบดั้งเดิม

อัลลา อาร์ชิโนวา: ข้อเท็จจริงที่ว่ากราไฟต์สามารถแตกออกเป็นเกล็ดบางๆ นั้นเป็นที่ทราบกันมานานแล้ว แล้วความสำเร็จของผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2010 คืออะไร?

วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: คุณอาจรู้จักตัวละครเช่น Petrik หลังจาก Andrey Geim และ Konstantin Novoselov ได้รับรางวัลโนเบลแล้ว เขาระบุว่ารางวัลโนเบลถูกขโมยไปจากเขา ในการตอบสนอง Game กล่าวว่าจริง ๆ แล้ววัสดุดังกล่าวเป็นที่รู้จักกันมานานแล้ว แต่พวกเขาได้รับรางวัลสำหรับการศึกษาคุณสมบัติของกราฟีน ไม่ใช่สำหรับการค้นพบวิธีการเพื่อให้ได้มาซึ่งวัสดุดังกล่าว ในความเป็นจริง ข้อดีของพวกเขาคือสามารถแยกชั้นกราฟีนที่มีคุณภาพดีมากออกจากกราไฟต์ที่มีการมุ่งเน้นสูง และศึกษาคุณสมบัติของมันโดยละเอียด คุณภาพของกราฟีนมีความสำคัญมาก เช่นเดียวกับเทคโนโลยีซิลิกอน เมื่อพวกเขาเรียนรู้วิธีรับซิลิกอนที่มีระดับความบริสุทธิ์สูงมาก อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงเป็นไปได้ เช่นเดียวกับกราฟีน Geim และ Novoselov นำกราไฟต์ที่บริสุทธิ์มากพร้อมชั้นที่สมบูรณ์แบบ จัดการแยกชั้นออกหนึ่งชั้นและศึกษาคุณสมบัติของมัน พวกเขาเป็นคนแรกที่พิสูจน์ว่าวัสดุนี้มีคุณสมบัติพิเศษหลายอย่าง

อัลลา อาร์ชิโนวา: ในการเชื่อมต่อกับการมอบรางวัลโนเบลให้กับนักวิทยาศาสตร์ที่มีรากเหง้าชาวรัสเซียที่ทำงานในต่างประเทศ เพื่อนร่วมชาติของเราที่ห่างไกลจากวิทยาศาสตร์กำลังสงสัยว่าเป็นไปได้ไหมที่จะได้ผลลัพธ์เดียวกันในรัสเซีย

วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: อาจเป็นไปได้ พวกเขาออกไปในเวลาที่เหมาะสม บทความแรกของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature ได้เขียนร่วมกับนักวิทยาศาสตร์ของ Chernogolovka หลายคน เห็นได้ชัดว่านักวิจัยชาวรัสเซียของเราทำงานในทิศทางนี้เช่นกัน แต่ก็ไม่สำเร็จอย่างน่าเชื่อ มันน่าเสียดาย บางทีเหตุผลประการหนึ่งอาจเป็นเงื่อนไขที่เอื้ออำนวยต่อการทำงานในห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ต่างประเทศ ฉันเพิ่งมาจากเกาหลีและสามารถเปรียบเทียบสภาพการทำงานที่ได้รับกับการทำงานที่บ้านได้ ดังนั้นฉันจึงไม่กังวลเกี่ยวกับสิ่งใดและที่บ้าน - เต็มไปด้วยงานประจำที่ต้องใช้เวลามากและหันเหความสนใจจากสิ่งสำคัญอยู่ตลอดเวลา ฉันได้รับทุกสิ่งที่ต้องการ และมันก็เสร็จอย่างรวดเร็วอย่างน่าทึ่ง ตัวอย่างเช่น ถ้าฉันต้องการรีเอเจนต์ ฉันจะเขียนบันทึก แล้ววันรุ่งขึ้นพวกเขาก็นำมาให้ฉัน ฉันสงสัยว่าผู้ได้รับรางวัลโนเบลก็มีสภาพการทำงานที่ดีเช่นกัน พวกเขามีความอุตสาหะเพียงพอ: พยายามซ้ำแล้วซ้ำเล่าเพื่อให้ได้เนื้อหาที่ดีและในที่สุดก็ประสบความสำเร็จ พวกเขาใช้เวลาและความพยายามอย่างมากกับเรื่องนี้ และรางวัลในแง่นี้ก็สมควรได้รับ

อัลลา อาร์ชิโนวา: และข้อดีของกราฟีนเมื่อเทียบกับซิลิกอนคืออะไรกันแน่?

วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: ประการแรก เราได้กล่าวไปแล้วว่ามันมีพาหะที่มีความคล่องตัวสูง ดังที่นักฟิสิกส์กล่าวไว้ว่าพาหะประจุไม่มีมวล มวลทำให้การเคลื่อนไหวช้าลงเสมอ และในกราฟีน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในลักษณะที่เราถือว่าไม่มีมวล คุณสมบัตินี้มีลักษณะเฉพาะ: หากมีวัสดุและอนุภาคอื่นที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกัน สิ่งเหล่านี้จะหายากมาก กราฟีนกลายเป็นสิ่งที่ดีในเรื่องนี้และในสิ่งนี้มันเปรียบเทียบได้ดีกับซิลิกอน

ประการที่สอง กราฟีนมีค่าการนำความร้อนสูง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มีน้ำหนักเบามากและแผ่นกราฟีนมีความโปร่งใสและยืดหยุ่นและสามารถม้วนเก็บได้ กราฟีนอาจมีราคาถูกมากหากมีการพัฒนาวิธีการที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิต ท้ายที่สุด "วิธีสก๊อตช์" ซึ่งแสดงให้เห็นโดย Game และ Novoselov ไม่ใช่อุตสาหกรรม ด้วยวิธีนี้จะได้ตัวอย่างที่มีคุณภาพสูงจริงๆ แต่ในปริมาณที่น้อยมากสำหรับการวิจัยเท่านั้น

และตอนนี้นักเคมีกำลังพัฒนาวิธีอื่นเพื่อให้ได้กราฟีน ท้ายที่สุดคุณต้องได้แผ่นงานขนาดใหญ่เพื่อผลิตกราฟีนในสตรีม นอกจากนี้ เรากำลังจัดการกับปัญหาเหล่านี้ที่นี่ ที่สถาบันเคมีอนินทรีย์ หากสามารถสังเคราะห์กราฟีนโดยใช้วิธีการที่จะช่วยให้สามารถผลิตวัสดุคุณภาพสูงในระดับอุตสาหกรรมได้ ก็มีความหวังว่าจะเป็นการปฏิวัติไมโครอิเล็กทรอนิกส์

อัลลา อาร์ชิโนวา: ตามที่ทุกคนคงทราบกันดีอยู่แล้วจากสื่อ โครงสร้างหลายชั้นของกราฟีนสามารถทำได้โดยใช้ดินสอและเทปกาว และเทคโนโลยีเพื่อให้ได้กราฟีนที่ใช้ในห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์คืออะไร?

วลาดิมีร์ เฟโดรอฟ: มีหลายวิธี หนึ่งในนั้นเป็นที่รู้จักกันมาเป็นเวลานานโดยขึ้นอยู่กับการใช้กราไฟท์ออกไซด์ หลักการของมันค่อนข้างง่าย กราไฟต์ถูกวางไว้ในสารละลายของสารออกซิไดซ์สูง (เช่น ซัลฟิวริก กรดไนตริก เป็นต้น) และเมื่อได้รับความร้อน มันจะเริ่มทำปฏิกิริยากับสารออกซิไดซ์ ในกรณีนี้ กราไฟต์จะถูกแยกออกเป็นหลายใบหรือแม้แต่ชั้นโมโนโทมิก แต่โมโนเลเยอร์ที่เกิดขึ้นนั้นไม่ใช่กราฟีน แต่เป็นกราฟีนที่ถูกออกซิไดซ์ซึ่งมีหมู่ออกซิเจน ไฮดรอกซิล และคาร์บอกซิลติดอยู่ ตอนนี้ภารกิจหลักคือการกู้คืนเลเยอร์เหล่านี้เป็นกราฟีน เนื่องจากได้รับอนุภาคขนาดเล็กในระหว่างการออกซิเดชั่นจึงต้องติดกาวเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้หินใหญ่ก้อนเดียว ความพยายามของนักเคมีมุ่งเป้าไปที่การทำความเข้าใจว่าเป็นไปได้อย่างไรที่จะสร้างแผ่นกราฟีนจากกราไฟต์ออกไซด์ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการผลิตที่เป็นที่รู้จัก

มีอีกวิธีหนึ่งซึ่งค่อนข้างดั้งเดิมและรู้จักกันมานาน - นี่คือการสะสมไอเคมีด้วยการมีส่วนร่วมของสารประกอบก๊าซ โดยมีสาระสำคัญดังนี้ ขั้นแรก สารที่ทำปฏิกิริยาจะระเหิดไปในเฟสของก๊าซ จากนั้นจะถูกส่งผ่านสารตั้งต้นที่ร้อนถึงอุณหภูมิสูง ซึ่งชั้นที่ต้องการจะถูกสะสมไว้ เมื่อเลือกรีเอเจนต์เริ่มต้น เช่น มีเธน จะสามารถย่อยสลายในลักษณะที่ไฮโดรเจนถูกแยกออกและคาร์บอนยังคงอยู่บนพื้นผิว แต่กระบวนการเหล่านี้ควบคุมได้ยาก และยากที่จะได้เลเยอร์ในอุดมคติ

กราฟีนเป็นหนึ่งในการดัดแปลงคาร์บอนแบบ allotropic

มีอีกวิธีหนึ่งที่ตอนนี้เริ่มใช้อย่างแข็งขัน - วิธีการใช้สารประกอบอธิกมาส ในกราไฟต์ เช่นเดียวกับสารประกอบในชั้นอื่นๆ โมเลกุลของสารต่างๆ ซึ่งเรียกว่า "โมเลกุลแขก" สามารถอยู่ระหว่างชั้นต่างๆ ได้ กราไฟท์เป็นเมทริกซ์ "โฮสต์" ที่เราจัดหา "แขก" เมื่อแขกถูกอธิกมาสในกริดโฮสต์ เลเยอร์จะถูกแยกออกจากกันโดยธรรมชาติ นี่คือสิ่งที่จำเป็นจริงๆ: กระบวนการอธิกมาสจะสลายกราไฟต์ สารประกอบอินเทอร์คาเลตเป็นสารตั้งต้นที่ดีมากในการได้รับกราฟีน คุณเพียงแค่ต้องนำ "แขก" ออกจากที่นั่นและป้องกันไม่ให้ชั้นต่างๆ ยุบกลับเป็นกราไฟต์ ในเทคโนโลยีนี้ ขั้นตอนสำคัญคือกระบวนการรับการกระจายตัวของคอลลอยด์ที่สามารถเปลี่ยนเป็นวัสดุกราฟีนได้ เราสนับสนุนแนวทางนี้ในสถาบันของเรา ในความเห็นของเรา นี่เป็นทิศทางที่ก้าวหน้าที่สุด ซึ่งคาดว่าจะได้ผลลัพธ์ที่ดีมาก เนื่องจากสามารถรับชั้นที่แยกออกมาได้ง่ายและมีประสิทธิภาพมากที่สุดจากสารประกอบอินเทอร์คาเลตประเภทต่างๆ

กราฟีนมีโครงสร้างคล้ายกับรังผึ้ง และเมื่อเร็ว ๆ นี้ได้กลายเป็นหัวข้อที่ "หวาน" มาก

มีอีกวิธีหนึ่งซึ่งเรียกว่าการสังเคราะห์ทางเคมีทั้งหมด มันอยู่ในความจริงที่ว่า "รังผึ้ง" ที่จำเป็นนั้นประกอบขึ้นจากโมเลกุลอินทรีย์อย่างง่าย เคมีอินทรีย์มีเครื่องมือสังเคราะห์ที่พัฒนาขึ้นอย่างมาก ซึ่งทำให้สามารถรับโมเลกุลที่หลากหลายได้ ดังนั้นวิธีการสังเคราะห์ทางเคมีจึงพยายามให้ได้โครงสร้างกราฟีน จนถึงปัจจุบัน สามารถสร้างแผ่นกราฟีนที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนประมาณสองร้อยอะตอมได้

นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาวิธีการอื่นในการสังเคราะห์กราฟีน แม้จะมีปัญหามากมาย แต่วิทยาศาสตร์ก็ประสบความสำเร็จในทิศทางนี้ มีความมั่นใจอย่างมากว่าอุปสรรคที่มีอยู่จะเอาชนะได้ และกราฟีนจะนำมาซึ่งก้าวใหม่ในการพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูง

ปริญญาเอกสาขาเคมี Tatyana Zimina

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2010 ได้รับรางวัลสำหรับการวิจัยเกี่ยวกับกราฟีน ซึ่งเป็นวัสดุสองมิติที่แสดงคุณสมบัติที่ไม่ธรรมดาและในขณะเดียวกันก็มีประโยชน์มาก การค้นพบนี้ไม่เพียงรับประกันเทคโนโลยีใหม่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการพัฒนาฟิสิกส์พื้นฐานด้วย ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดความรู้ใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างของสสาร ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีนี้คือ Andre Game และ Konstantin Novoselov อาจารย์จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ (สหราชอาณาจักร) ผู้สำเร็จการศึกษาจากสถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโก

อะตอมของคาร์บอนในกราฟีนก่อตัวเป็นผลึกสองมิติที่มีเซลล์หกเหลี่ยม

ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2010 Andre Geim (เกิดในปี 1958) เป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ (สหราชอาณาจักร) จบการศึกษาจากสถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโกปกป้องวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเขาที่สถาบันฟิสิกส์โซลิดสเตต (เชอร์โนโกโล

ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ พ.ศ. 2553 คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (เกิดในปี พ.ศ. 2517) เป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ (สหราชอาณาจักร) และสำเร็จการศึกษาจากสถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีมอสโก ทำงานที่ Institute of Problems of Microelectronics Technology and

กราฟีนเป็นหนึ่งในคาร์บอนรูปแบบ allotropic เริ่มแรกได้มาจากการขัดชั้นกราไฟต์บาง ๆ อย่างค่อยเป็นค่อยไป กราฟีน พับขึ้นรูปท่อนาโนหรือฟูลเลอรีน

หนึ่งในการใช้งานที่เป็นไปได้ของกราฟีนคือการสร้างบนพื้นฐานของเทคโนโลยีใหม่สำหรับการถอดรหัสโครงสร้างทางเคมี (การจัดลำดับ) ของ DNA นักวิทยาศาสตร์จาก Kavli Institute of Nanoscience (เนเธอร์แลนด์) นำโดยศาสตราจารย์ Dekke

กราฟีนเป็นวัสดุที่หนาเพียง 1 อะตอม สร้างขึ้นจาก "ตาราง" ของอะตอมของคาร์บอนที่จัดเรียงเหมือนรังผึ้งเป็นเซลล์รูปหกเหลี่ยม (hexagonal) นี่เป็นอีกรูปแบบหนึ่งของคาร์บอนแบบ allotropic พร้อมกับกราไฟต์ เพชร ท่อนาโนและฟูลเลอรีน วัสดุนี้มีการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม การนำความร้อนที่ดี ความแข็งแรงสูง และเกือบจะโปร่งใสทั้งหมด

แนวคิดในการรับกราฟีน "วาง" ในตาข่ายคริสตัลของกราไฟต์ซึ่งเป็นโครงสร้างชั้นที่เกิดจากชั้นอะตอมของคาร์บอนที่มีพันธะอ่อน นั่นคือกราไฟต์สามารถแสดงเป็นชุดของชั้นกราฟีน (ผลึกสองมิติ) ที่เชื่อมต่อถึงกัน

กราไฟต์เป็นวัสดุชั้น เป็นคุณสมบัตินี้ที่ผู้ได้รับรางวัลโนเบลใช้เพื่อให้ได้กราฟีน แม้ว่าทฤษฎีจะทำนาย (และการทดลองก่อนหน้านี้ยืนยัน) ว่าวัสดุคาร์บอนสองมิติไม่สามารถมีอยู่ที่อุณหภูมิห้องได้ - มันจะเปลี่ยนเป็นคาร์บอนในรูปแบบ allotropic อื่น ๆ สำหรับ ตัวอย่างเช่น พับเป็นท่อนาโนหรือเป็นฟูลเลอรีนทรงกลม

ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดย Andre Geim ซึ่งรวมถึงนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ (สหราชอาณาจักร) และสถาบันเพื่อปัญหาของเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์และวัสดุบริสุทธิ์สูง (รัสเซีย เชอร์โนโกลอฟกา) ได้รับกราฟีนโดยเพียงแค่ขัดชั้นกราไฟต์ ในการทำเช่นนี้ให้ติดเทปกาวธรรมดาลงบนคริสตัลกราไฟต์แล้วนำออก: ฟิล์มที่บางที่สุดยังคงอยู่ในเทปซึ่งเป็นชั้นเดียว (คุณจำไม่ได้ได้อย่างไร: "ทุกสิ่งที่ชาญฉลาดนั้นเรียบง่าย!") ต่อมา เทคนิคนี้ได้รับวัสดุสองมิติอื่นๆ รวมถึงตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง Bi-Sr-Ca-Cu-O

ปัจจุบันวิธีนี้เรียกว่า "การแยกด้วยกลไกเชิงจุลภาค" ซึ่งช่วยให้คุณได้ตัวอย่างกราฟีนคุณภาพสูงสุดที่มีขนาดไม่เกิน 100 ไมครอน

ความคิดที่ดีอีกประการหนึ่งของผู้ได้รับรางวัลโนเบลในอนาคตคือการสะสมของกราฟีนบนพื้นผิวของซิลิกอนออกไซด์ (SiO 2 ) ด้วยขั้นตอนนี้ กราฟีนจึงสามารถสังเกตการณ์ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ (ตั้งแต่แสงไปจนถึงแรงอะตอม) และศึกษาได้

การทดลองครั้งแรกกับวัสดุใหม่แสดงให้เห็นว่าในมือของนักวิทยาศาสตร์ไม่ได้เป็นเพียงคาร์บอนอีกรูปแบบหนึ่ง แต่เป็นวัสดุประเภทใหม่ที่มีคุณสมบัติที่ไม่สามารถอธิบายได้จากมุมมองของทฤษฎีดั้งเดิมของฟิสิกส์สถานะของแข็ง

วัสดุสองมิติที่ได้ซึ่งเป็นเซมิคอนดักเตอร์มีค่าการนำไฟฟ้าใกล้เคียงกับตัวนำโลหะที่ดีที่สุดชนิดหนึ่งนั่นคือทองแดง อิเล็กตรอนของมันมีความคล่องตัวสูงมากซึ่งเกี่ยวข้องกับลักษณะเฉพาะของโครงสร้างผลึก เห็นได้ชัดว่าคุณภาพของกราฟีนนี้ประกอบกับความหนาระดับนาโนเมตรทำให้เป็นตัวเลือกสำหรับวัสดุที่สามารถแทนที่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ รวมถึงคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงในอนาคต ซิลิคอนที่ไม่ตอบสนองความต้องการในปัจจุบัน นักวิจัยเชื่อว่าแกรฟีนนาโนอิเลคทรอนิคส์ประเภทใหม่ที่มีความหนาของทรานซิสเตอร์ฐานไม่เกิน 10 นาโนเมตร (ได้รับทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์ภาคสนามบนกราฟีนแล้ว) อยู่ไม่ไกลนัก

ขณะนี้นักฟิสิกส์กำลังทำงานเพื่อเพิ่มการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในกราฟีน การคำนวณแสดงให้เห็นว่าข้อจำกัดของการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุในนั้น (และด้วยเหตุนี้ค่าการนำไฟฟ้า) เกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของสิ่งเจือปนที่มีประจุในวัสดุพิมพ์ SiO 2 ถ้าใครเรียนรู้วิธีรับฟิล์มกราฟีน "แขวนอิสระ" การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นสองลำดับความสำคัญ - สูงถึง 2 × 10 6 ซม. 2 /V กับ. การทดลองดังกล่าวกำลังดำเนินการอยู่และค่อนข้างประสบความสำเร็จ จริงอยู่ภาพยนตร์สองมิติในอุดมคติในสถานะอิสระนั้นไม่เสถียร แต่ถ้ามันมีรูปร่างผิดปกติในอวกาศ (นั่นคือมันไม่แบนราบเรียบ แต่เป็นคลื่น) ก็จะรับประกันความเสถียรของมัน ตัวอย่างเช่น ฟิล์มดังกล่าวสามารถนำไปใช้เพื่อสร้างระบบเครื่องกลไฟฟ้านาโน ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์ก๊าซที่มีความไวสูงซึ่งสามารถตอบสนองได้แม้เพียงโมเลกุลเดียวที่ปรากฏบนพื้นผิว

การประยุกต์ใช้กราฟีนอื่นๆ ที่เป็นไปได้: ในอิเล็กโทรดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ในเซลล์แสงอาทิตย์ เพื่อสร้างวัสดุคอมโพสิตต่างๆ รวมถึงวัสดุน้ำหนักเบาพิเศษและมีความแข็งแรงสูง (สำหรับการบิน ยานอวกาศ ฯลฯ) ด้วยค่าการนำไฟฟ้าที่กำหนด หลังอาจแตกต่างกันมาก ตัวอย่างเช่น วัสดุกราฟีนถูกสังเคราะห์ขึ้น ซึ่งแตกต่างจากกราฟีนตรงที่เป็นฉนวน (ดูข้อ "วิทยาศาสตร์และชีวิต") ได้มาจากการแนบอะตอมของไฮโดรเจนเข้ากับอะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมของวัสดุตั้งต้น สิ่งสำคัญคือคุณสมบัติทั้งหมดของวัสดุเริ่มต้น - กราฟีน - สามารถกู้คืนได้โดยการให้ความร้อนอย่างง่าย (การหลอม) ของกราฟีน ในเวลาเดียวกัน กราฟีนที่เติมลงในพลาสติก (ฉนวน) จะเปลี่ยนให้เป็นตัวนำไฟฟ้า

ความโปร่งใสเกือบสมบูรณ์ของกราฟีนบ่งชี้ถึงการใช้งานบนหน้าจอสัมผัส และหากเรานึกถึง “ความบางเฉียบ” ของมัน โอกาสในการใช้งานสำหรับคอมพิวเตอร์ที่มีความยืดหยุ่นในอนาคต (ซึ่งสามารถม้วนเก็บได้เหมือนหนังสือพิมพ์) สร้อยข้อมือนาฬิกา แผงไฟอ่อน เข้าใจได้

แต่การใช้วัสดุใดๆ ก็ตามนั้นต้องการการผลิตทางอุตสาหกรรม ซึ่งวิธีการแยกสารเชิงกลระดับจุลภาคที่ใช้ในการวิจัยในห้องปฏิบัติการนั้นไม่เหมาะสม ดังนั้นจึงมีการพัฒนาวิธีการอื่น ๆ มากมายในโลก มีการเสนอวิธีการทางเคมีเพื่อให้ได้กราฟีนจากแกรไฟต์ไมโครคริสตัลแล้ว ตัวอย่างเช่น หนึ่งในนั้นผลิตกราฟีนที่ฝังอยู่ในพอลิเมอร์เมทริกซ์ มีการอธิบายถึงการสะสมตัวของไอ การเติบโตที่ความดันและอุณหภูมิสูง บนพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์ ในกรณีหลังซึ่งเหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตในภาคอุตสาหกรรม ฟิล์มที่มีคุณสมบัติของกราฟีนจะเกิดขึ้นจากการสลายตัวด้วยความร้อนของชั้นผิวของวัสดุพิมพ์

คุณค่าของวัสดุใหม่สำหรับการพัฒนาการวิจัยทางกายภาพนั้นยอดเยี่ยมมาก ดังที่ Sergei Morozov (สถาบันปัญหาเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์และวัสดุบริสุทธิ์สูงของ Russian Academy of Sciences) Andre Geim และ Konstantin Novoselov ชี้ให้เห็นในบทความของพวกเขาที่ตีพิมพ์ในปี 2008 ในวารสาร Uspekhi fizicheskikh nauk ว่า "อันที่จริงแล้ว กราฟีนเปิดขึ้น กระบวนทัศน์ทางวิทยาศาสตร์ใหม่ - ฟิสิกส์ "สัมพัทธภาพ" ของสถานะของแข็ง ซึ่งปรากฏการณ์เชิงควอนตัมเชิงสัมพันธ์ (บางอย่างไม่สามารถทำได้แม้ในฟิสิกส์พลังงานสูง) ขณะนี้สามารถศึกษาได้ภายใต้เงื่อนไขของห้องปฏิบัติการทั่วไป ... เป็นครั้งแรกในของแข็ง - การทดลองสถานะสามารถสำรวจความแตกต่างและความหลากหลายของอิเล็กโทรไดนามิกส์ควอนตัมได้ นั่นคือเรากำลังพูดถึงข้อเท็จจริงที่ว่าปรากฏการณ์หลายอย่าง ซึ่งการศึกษาซึ่งจำเป็นต้องมีการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ สามารถตรวจสอบได้ด้วยเครื่องมือที่ง่ายกว่ามาก ซึ่งเป็นวัสดุที่บางที่สุดในโลก

ความคิดเห็นของผู้เชี่ยวชาญ

เรานึกถึงทรานซิสเตอร์สนามผล ...

บรรณาธิการขอให้เพื่อนร่วมงานและผู้เขียนร่วมแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับผลงานของผู้ได้รับรางวัลโนเบล Andre Geim และ Konstantin Novoselov Sergei Morozov หัวหน้าห้องปฏิบัติการของสถาบันปัญหาเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์และวัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูงของ Russian Academy of Sciences (Chernogolovka) ตอบคำถามจาก Tatyana Zimina ผู้สื่อข่าวของ Science and Life

แนวคิดในการรับวัสดุคาร์บอนสองมิติเกิดขึ้นได้อย่างไร? เกี่ยวข้องกับอะไร? คุณคาดหวังคุณสมบัติที่ผิดปกติจากคาร์บอนรูปแบบนี้หรือไม่?

ในขั้นต้น เราไม่ได้มีเป้าหมายที่จะรับวัสดุสองมิติจากกึ่งโลหะ เราพยายามสร้างทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์ภาคสนาม โลหะที่มีความหนาเพียงหนึ่งอะตอมก็ไม่เหมาะสำหรับสิ่งนี้ - พวกมันมีอิเล็กตรอนอิสระมากเกินไป อย่างแรก เราได้ระนาบอะตอมจำนวนหนึ่งจากผลึกกราไฟต์ จากนั้นเราก็เริ่มสร้างแผ่นบางลงเรื่อยๆ จนได้ชั้นอะตอมเดี่ยว ซึ่งก็คือกราฟีน

กราฟีนได้รับการพิจารณาโดยนักทฤษฎีมาเป็นเวลานานตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 20 พวกเขายังแนะนำชื่อของวัสดุคาร์บอนสองมิติ กราฟีนนั้นทำให้นักทฤษฎี (ก่อนการผลิตเชิงทดลองมานาน) กลายเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการคำนวณคุณสมบัติของคาร์บอนในรูปแบบอื่นๆ เช่น กราไฟต์ ท่อนาโน ฟูลเลอรีน นอกจากนี้ยังเป็นสิ่งที่อธิบายได้ดีที่สุดในทางทฤษฎี แน่นอน นักทฤษฎีไม่ได้คำนึงถึงผลกระทบใดๆ ที่ค้นพบในการทดลองในตอนนี้ อิเล็กตรอนในกราฟีนทำตัวเหมือนอนุภาคสัมพัทธภาพ แต่ก่อนหน้านี้ไม่มีใครคิดที่จะศึกษาว่าเอฟเฟกต์ Hall จะมีลักษณะอย่างไรในกรณีของอนุภาคสัมพัทธภาพ เราค้นพบรูปแบบใหม่ของควอนตัมฮอลล์เอฟเฟกต์ ซึ่งเป็นหนึ่งในการยืนยันความโดดเด่นของระบบย่อยอิเล็กทรอนิกส์ในกราฟีนเป็นครั้งแรก สามารถพูดได้เช่นเดียวกันเกี่ยวกับ Klein Paradox ที่มีอยู่ในกราฟีน ซึ่งเป็นที่รู้จักจากฟิสิกส์พลังงานสูง ในเซมิคอนดักเตอร์หรือโลหะแบบดั้งเดิม อิเล็กตรอนสามารถลอดผ่านสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นได้ แต่มีโอกาสน้อยกว่าหนึ่งมาก ในกราฟีน อิเล็กตรอน (เช่น อนุภาคเชิงสัมพัทธภาพ) จะทะลุผ่านโดยไม่มีการสะท้อนแม้จะผ่านสิ่งกีดขวางที่มีศักยภาพสูงอย่างไม่จำกัด

เหตุใดจึงเชื่อว่าวัสดุคาร์บอนสองมิติ (กราฟีน) จะไม่เสถียรที่อุณหภูมิห้อง แล้วได้มายังไง?

ผลงานในยุคแรกๆ ของนักทฤษฎี ซึ่งแสดงให้เห็นความไม่แน่นอนของวัสดุสองมิติ อ้างถึงระบบสองมิติในอุดมคติที่ไม่มีที่สิ้นสุด งานในภายหลังแสดงให้เห็นว่าในระบบสองมิติ ลำดับระยะยาวยังคงมีอยู่ (ซึ่งมีอยู่ในเนื้อผลึก - เอ็ด) ที่อุณหภูมิจำกัด (อุณหภูมิห้องสำหรับผลึกเป็นอุณหภูมิที่ค่อนข้างต่ำ) อย่างไรก็ตาม กราฟีนจริงในระบบกันกระเทือนดูเหมือนจะไม่แบนราบอย่างสมบูรณ์ มันเป็นคลื่นเล็กน้อย - ความสูงของการเพิ่มขึ้นนั้นอยู่ในลำดับของนาโนเมตร ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน "คลื่น" เหล่านี้ไม่สามารถมองเห็นได้ แต่มีการยืนยันอื่น ๆ เกี่ยวกับพวกเขา

Graphene เป็นสารกึ่งตัวนำถ้าฉันเข้าใจถูกต้อง แต่ที่นี่และที่นั่นฉันพบคำจำกัดความ - กึ่งโลหะ เป็นวัสดุประเภทใด

เซมิคอนดักเตอร์มีช่องว่างของแถบความกว้างที่แน่นอน กราฟีนมีค่าเป็นศูนย์ ดังนั้นจึงสามารถเรียกได้ว่าเป็นเซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างแถบศูนย์หรือเซมิเมทัลที่ทับซ้อนกันเป็นศูนย์ นั่นคือมันอยู่ในตำแหน่งกึ่งกลางระหว่างสารกึ่งตัวนำและสารกึ่งโลหะ

ในบางแห่งในวรรณกรรมยอดนิยม มีการกล่าวถึงวัสดุสองมิติอื่นๆ กลุ่มของคุณได้ลองสิ่งเหล่านี้หรือไม่?

หนึ่งปีหลังจากได้รับกราฟีน เราได้วัสดุสองมิติจากคริสตัลชั้นอื่นๆ ตัวอย่างเช่น โบรอนไนไตรด์ ไดชาลโคเจนไนด์บางชนิด ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง Bi-Sr-Ca-Cu-O พวกเขาไม่ได้ทำซ้ำคุณสมบัติของกราฟีน - โดยทั่วไปแล้วบางส่วนเป็นไดอิเล็กตริก ส่วนอื่น ๆ มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำมาก กลุ่มวิจัยหลายแห่งในโลกมีส่วนร่วมในการศึกษาวัสดุสองมิติ ตอนนี้เราใช้โบรอนไนไตรด์เป็นสารตั้งต้นสำหรับโครงสร้างกราฟีน ปรากฎว่าสิ่งนี้ช่วยปรับปรุงคุณสมบัติของกราฟีนได้อย่างมาก นอกจากนี้ หากเราพูดถึงการใช้กราฟีนเพื่อสร้างวัสดุผสม โบรอนไนไตรด์เป็นหนึ่งในคู่แข่งหลักที่นี่

- วิธีใดที่มีแนวโน้มดีที่สุดในการผลิตกราฟีน

ในความคิดของฉันตอนนี้มีสองวิธีหลักดังกล่าว ประการแรกคือการเจริญเติบโตบนพื้นผิวของฟิล์มของโลหะหายากบางชนิด เช่นเดียวกับทองแดงและนิกเกิล จากนั้นต้องถ่ายโอนกราฟีนไปยังวัสดุพิมพ์อื่น ๆ และสิ่งนี้ได้เรียนรู้ที่จะทำแล้ว เทคโนโลยีนี้กำลังก้าวเข้าสู่ขั้นตอนการพัฒนาเชิงพาณิชย์

อีกวิธีหนึ่งคือการเติบโตของซิลิกอนคาร์ไบด์ แต่จะเป็นการดีหากได้เรียนรู้วิธีการปลูกกราฟีนบนซิลิกอน ซึ่งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ทั้งหมดถูกสร้างขึ้น จากนั้นการพัฒนาอุปกรณ์กราฟีนก็จะดำเนินไปอย่างก้าวกระโดด เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กราฟีนจะขยายการทำงานของไมโครอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิมโดยธรรมชาติ