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

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).

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

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.

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
Девочка не промах
История 16-летней немки, сбежавшей от семейных проблем в ИГ и ставшей снайпером
A protester reacts in front Moroccan police forces during a demonstration in the northern town of El Hoceima, Morocco, Thursday, July 20, 2017. Clashes between police and Moroccan protesters Thursday left at least 83 injured in clouds of tear gas and running battles at an unauthorized demonstration over inequality and corruption.Налетели на Риф
Пережив «арабскую весну», марокканская монархия вновь оказалась под ударом
Тимофей Бордачев: Им стыд, нам позор
России пора коренным образом изменить структуру отношений с Западом
Президент Польши Анджей Дуда с супругойСудный день
Из-за планов судебной реформы поляки перессорились между собой и с Брюсселем
Схематичное изображение вращающейся черной дыры (черный цвет), бозонной оболочки (красный) и гравитационных волн (синий)Кудрявый сценарий
Раскрыт механизм усыхания черных дыр
Темник фюрера
Кровожадных нацистов испугал безбашенный инвалид: превью Wolfenstein II
Сверкая пятками
Как побег англичан от нацистов превратился в народный подвиг
Воровать — так миллион
Длительный тест Ford Kuga: выводы, конкуренты и стоимость владения
Все о новой рамной «Тойоте» для России
Все, что нужно знать о внедорожнике Fortuner
Как стать миллионером
Какую машину надо купить сейчас, запереть в гараже и обогатиться. Через несколько лет
Битва трех респектабельных седанов на солярке
BMW 5 серии против Mercedes-Benz E-класса и Jaguar XF
«Я ничего не делаю, и мне это нравится»
Откровения москвички, которая сдает жилье и принципиально не работает
Зарыться в песок
Купить квартиру на море теперь можно за миллион рублей и дешевле
Входят и выходят
Самые известные, необычные и дорогие бордели мира
У вас упало
Что на самом деле происходит с ценами на квартиры в Москве