Цена плоского углерода

Выходцы из России получили Нобелевскую премию по физике за графен

Карта электрической проводимости поверхности графена, полученная сканирующим туннельным микроскопом. Иллюстрация Physical Review Letters

Графен - материал, который последние шесть лет находится в центре внимания физиков-экспериментаторов во всем мире. До этого, правда, лет 40 считалось, что двумерный лист углерода - не более чем модельная абстракция, позволяющая в некоторых случаях сделать громоздкие вычисления в квантовой механике чуть более подъемными и обозримыми. Так вот, Константин Новоселов и Андрей Гейм, в настоящее время работающие в Манчестерском университете, получили Нобелевскую премию за то, что перевели графен из теоретической плоскости в практическую. Однако обо всем по порядку.

Долгая дорога к графену

Константин Новоселов (слева) и Андрей Гейм
Константин Новоселов (слева) и Андрей Гейм

Из школьной химии известно, что свойства того или иного вещества зависят не только от атомов, которые его составляют, но и от их взаимного расположения. В качестве примера обычно приводят углерод, который в случае одного расположения атомов дает хрупкий грязный графит, а в другом - твердый сияющий алмаз. Такие простые вещества, имеющие разные свойства при одинаковом составе, называют аллотропными модификациями. В этом смысле графит и алмаз - аллотропные модификации углерода.

В 60-х годах прошлого века физики стали интенсивно изучать не только трехмерные, но и двумерные аллотропные модификации. В частности, например, атомы углерода могут располагаться в одной плоскости самым простым и естественным образом - в виде гексагональной решетки (то есть решетки, у которой все ячейки - шестиугольники). Уже тогда, кстати, эта идея была не нова - например, Оскар Клейн еще в 1929 году предсказывал такому материалу необычные квантовые свойства.

В это же время предпринимались попытки получить отдельно "куски" плоского углерода, однако они не привели к успеху. В результате многие ученые решили, что получение этого материала на практике в принципе невозможно из соображений стабильности (такое в физике происходит сплошь и рядом - например, составляющие адроны кварки не существуют по отдельности).

Структура графена. Расстояние между атомами - 0,142 нанометра. Графен поглощает 2,3 процента проходящего через него света
Структура графена. Расстояние между атомами - 0,142 нанометра. Графен поглощает 2,3 процента проходящего через него света

В результате графен оставался не более чем абстракцией, удобной, например, для вычислений, ведь в случае двух измерений многие уравнения, связанные, например, с квантовой механикой, заметно упрощаются.

Первым предвестником революционного открытия Андрея Гейма и Константина Новоселова стало обнаружение фуллеренов в середине 1980-х годов. Фуллерены - это выпуклые многогранники, в вершинах которых располагаются атомы углерода. Самый известный подобный материал называется C60 - в этой модификации атомы располагаются в вершинах фигуры, которая, напоминает футбольный мяч (в математике такой многогранник называется усеченным икосаэдром). За это открытие, кстати, американцы Роберт Керл и Ричард Смелли вместе с британцем Харолд Крото получили Нобелевскую премию по химии 1996 года.

Затем, в 90-х годах, развитие техники сделало возможным изучение так называемых углеродных нанотрубок (на звание первооткрывателей этих объектов претендуют сразу несколько групп исследователей, среди которых есть и советские физики). От трубок, казалось бы, до графена рукой подать: разрезал их вдоль, развернул - вот и готов двумерный листочек углерода. Оказывается, такое действительно возможно, что и доказали ученые из Стэнфордского университета и университета Райса в 2009 году. Однако впервые "невозможный" материал был получен другим способом.

Война за первенство

Андрей Константинович Гейм родился в 1958 году в Сочи. В 1982 году закончил факультет общей и прикладной физики МФТИ, а в 1987 году защитил кандидатскую диссертацию в Институте физики твердого тела АН СССР. До 1990 года работал в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов, после чего уехал за границу. На момент совершения открытия (2004 год) вместе с Константином Новоселовым работал в Манчестерском университете. Сейчас трудится там же, являясь формально гражданином Голландии. Примечательно, что Гейм является лауреатом Шнобелевской премии 2000 года за изучение левитации лягушек.

Как это часто бывает в науке, Гейму и Новоселову удалось не только удивить большинство физиков, получив на практике материал, который считался нестабильным, но и опередить несколько других групп исследователей, которые буквально дышали им в затылок.

Так, например технологию пилинга (именно так называется методика, по которой работали выходцы из бывшего СССР) придумали не Гейм с Новоселовым - данный метод безуспешно пытались применить исследователи под предводительством Родни Руоффа из Техасского университета еще в 1999 году.

Далее, спустя всего два месяца после появления статьи Гейма и Новоселова ученые из Технологического университета Джорджии подали на публикацию статью, в которой тонкие листы углерода предлагалось получать выжиганием при температуре 1300 градусов по Цельсию карбида кремния. Кроме этого в это же время физики из Колумбийского университета пробовали "рисовать" подобные пленки - они прикрепляли кристалл углерода к игле силового микроскопа и водили им по поверхности. Таким образом, однако, им удалось получить пленки, толщиной в 10 углеродных слоев.

Константин Сергеевич Новоселов родился в 1974 году в Нижнем Тагиле. В 1997 году закончил МФТИ и до 1999 года работал в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов, после чего уехал за границу. В настоящее время работает в Манчестерском университете. Имеет два гражданства - российское и британское.

Как же Гейм и Новоселов опередили своих соперников? Оказывается, любой человек, когда-либо писавший карандашом, помимо своей воли занимался производством графеновых листов - во время письма углерод с графитового острия отслаивается плоскими хлопьями, некоторые из которых могут оказаться толщиной всего в один атом. Именно эту идею использовали Гейм и Новоселов - они отклеивали хлопья от графита при помощи скотча, после чего переносили их на специальную подложку. В 2004 году в Science появилась статья физиков, в которой они описывали не только технологию получения графена, но и некоторые его свойства.

Будущее

Ну а дальше было то, что интересующиеся наукой люди могут наблюдать до сих пор - настоящий исследовательский бум, связанный с изучением графена.

Физики научились создавать пригодные для наноэлектроники ленты из графена. Ученые объяснили неудачи высокотемпературной сверхпроводимости. Физикам удалось заселить электронами свободные места в графене. Химикам удалось в десятки раз увеличить размер листа графена. Физики раскрыли механизм разрыва графена. Все перечисленное - это только заголовки заметок, посвященных графену, которые появились на "Ленте.ру" с начала 2010 года.

За прошедшие после открытия Гейма и Новоселова 6 лет ученые научились не только производить более или менее большие куски графена, но и обнаружили невероятный потенциал данного материала. Так, графен обладает высокой прочностью (он в 100 раз прочнее листа стали аналогичной толщины), теплопроводимостью (графен проводит тепло в 10 раз лучше меди), максимальной подвижностью электронов среди всех известных материалов, а также пригоден для создания уникальной электроники и многого другого.

Правда, почти все возможности графена пока далеки от практики - факт, который, очевидно, в Нобелевском комитете хорошо понимают (оттого и формулировка, с которой Гейму и Новоселову вручили награду, звучит как "за пионерские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена"). Несмотря на это за графеном будущее. Будущее, которое станет реальностью благодаря работе когда-то российских ученых Андрея Гейма и Константина Новоселова.

Обсудить
Наука и техника
 — 
00:02 26 февраля 2017
После большевистской попытки захвата власти 3-4 июля 1917 года в Петрограде

«События в столице застали Ильича врасплох»

Как Сталин, Ленин и Троцкий провели «жаркий» июль 1917 года
Наука и техника
 — 
00:02 25 марта 2017
«Это было волшебно!»

Дефект массы

Как продолжение культовой серии Mass Effect стало одной из худших игр в истории
Demonstrators take part in a protest aimed at showing London's solidarity with the European Union following the recent EU referendum, inTrafalgar Square, central London, Britain June 28, 2016. REUTERS/Dylan Martinez TPX IMAGES OF THE DAYСпасет ли уход Меркель Европу?
Свое 60-летие Европейский союз встречает в состоянии экзистенциального кризиса
Participants attend a gay pride parade in central Istanbul June 30, 2013. Tens of thousands of anti-government protesters teamed up with a planned gay pride march in Istanbul. Crowds were stopped by riot police from entering Taksim, the centre of previous protests, but the atmosphere appeared peacefulОпасное интернет-проникновение
Грозит ли подъем геев-мусульман исламскому миру
Displaced people from the minority Yazidi sect, fleeing violence from forces loyal to the Islamic State in Sinjar town, walk towards the Syrian border, on the outskirts of Sinjar mountain, near the Syrian border town of Elierbeh of Al-Hasakah Governorate August 11, 2014. Islamic State militants have killed at least 500 members of Iraq's Yazidi ethnic minority during their offensive in the north, Iraq's human rights minister told Reuters on Sunday. The Islamic State, which has declared a caliphate in parts of Iraq and Syria, has prompted tens of thousands of Yazidis and Christians to flee for their lives during their push to within a 30-minute drive of the Kurdish regional capital Arbil. Picture taken August 11, 2014. REUTERS/Rodi Said (IRAQ - Tags: POLITICS CIVIL UNREST TPX IMAGES OF THE DAY) FOR BEST QUALITY IMAGE ALSO SEE: GM1EA8M1B4V01Дважды отверженные
Почему от женщин, вырвавшихся из плена боевиков, отворачивается общество


Из ЕС в сексуальное рабство
Что вынуждает румынок отправляться на Сицилию, где их ждет неволя
Китайский интерес
Пекин желает смерти уйгурским боевикам в Сирии, но вмешиваться в войну не готов
Лазерный пистолет и стреляющий эспандер
Пять самых необычных и бессмысленных пистолетов
Срисовали
Как разоблачили банду, охотившуюся на картины знаменитых художников
«Я стала плевать кровью на снег»
Как выстрел в лицо офицеру МВД обернулся обвинениями в самостреле: расследование
Сирийские убийцы
Как связаны резня на КПП Росгвардии в Чечне и недавнее похищение контрактника
Все там будем
Почему невозможно уберечься от рака
Man and woman eating from a pot and a pail on a street corner, 1940-1944Разборки в гетто
Страх, ужас и безысходность на снимках лодзинского фотографа
«Это было волшебно!»Дефект массы
Как продолжение культовой серии Mass Effect стало одной из худших игр в истории
Кровавое воскресенье 22 января 1905 года«Идиоты говорят, что Россию погубил заговор»
Почему революция 1917 года была неизбежна
Пижон Джон
Дикий сэр Элтон, каким его уже мало кто помнит
«Оргиастический акт любви и счастья»
Дина Рубина о советских кулинарных традициях
Девочки кровавые в глазах
Кино недели с Денисом Рузаевым: от «Манчестера у моря» до «Демона внутри»
«Главное — убедить людей, что они счастливы»
Джон Стейнбек и Роберт Капа о советских застольях, писателях и правительстве
Под «Грибами» тает лед
Самая навязчивая песня сезона — во всех мемах страны
Рай на земле
Лучшие для жизни города мира
«Мы делаем не крымское вино, а севастопольское»
Винодел Павел Швец — о месте России на винной карте мира
Германия по карману
Как попасть в Баварию за две тысячи рублей и получить удовольствие
Отберут последнее
Коснутся ли новые правила перевозки электроники летящих в США россиян?
Идеал со сроком годности
От Монро до Кардашьян: как менялись пропорции женской фигуры каждые 10 лет
Спортзал для двоих
Лондонская пара прославилась в сети как самая тренированная в мире
Новая американская мечта
Что такое Fuck You Money, или Как уйти на пенсию в 35 лет
Ищут пожарные, ищет милиция
Десятилетний розыск пропавшей британской девочки обошелся в 16 миллионов фунтов
Восточные легенды
Культовые японские автомобили ушедших лет
Цвета для победителей
Самые известные гоночные раскраски в мире
Самые необычные ДТП
Автомобили на крышах, в бассейнах и другие непонятные аварии, достойные премии
Очень страшные «Рейндж Роверы»
Самые жуткие варианты тюнинга автомобилей Land Rover
Бог простит
В церкви нашли квартиру с красной мебелью и портретами в стиле поп-арт
Фрэнк ГериСпугнули рыбу
Почему антисемиты изгнали из Канады создателя «танцующего дома»
«Наш дом — колония строгого режима»
История семьи, оказавшейся на грани распада из-за дачи
Цветам не место в доме
Почему дети мешают взрослым жить счастливо в собственных квартирах