Во вторник в Стокгольме продолжилась так называемая "нобелевская неделя": были объявлены лауреаты премии 2010 года по физике. Если накануне премии по медицине удостоился 85-летний исследователь за работы, выполненные более тридцати и даже сорока лет назад, то премия по физике была присуждена двум молодым ученым за работы, увенчавшиеся успехом всего шесть лет назад. Таким образом, тенденция награждать "пенсионеров" начинает давать сбои.
Родились в СССР, работают в Англии
Итак, Нобелевский комитет при Шведской королевской академии наук присудил премию по физике Андрею Гейму и Константину Новоселову за "новаторские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена". Оба лауреата - выходцы из Советского Союза: Андрей Гейм родился в 1958 году в Сочи, Константин Новоселов - в 1974 году в Нижнем Тагиле.
Таким образом, Костя Новоселов - именно так его обычно именуют в научном мире на Западе - стал теперь самым молодым нобелевским лауреатом по физике. А Андрей Гейм - первым ученым, удостоившимся настоящей Нобелевской премии после получения так называемой Игнобелевской (или Шнобелевской) премии. Шнобелевская премия, учрежденная американским научно-сатирическим журналом Annals of Improbable Research ("Ежегодник невероятных исследований"), была ему присуждена в 2000 году за использование магнитного поля для демонстрации левитации лягушек. В то время ученый трудился в Нидерландах, в университете Неймегена. Сегодня оба новоиспеченных лауреата "большой" Нобелевской премии работают бок о бок в Великобритании, в Манчестерском университете.
Скотч до Нобелевской премии доведет
Так что же такое графен? Дело в том, что углерод встречается в природе в различных аллотропных формах - в виде алмаза, карбина, графита, фуллеренов и нанотрубок. И каждая из этих модификаций имеет свои особые свойства. Что такое алмаз, уголь и графит, известно всем, поэтому я напомню лишь, что карбин - это линейный полимер углерода.
Молекулы карбина представляют собой длинные тонкие цепочки из углеродных атомов; фуллерены - полые молекулы, имеющие форму выпуклого замкнутого многогранника и состоящие из большого - до 560-ти - числа атомов углерода; а нанотрубки - состоящие из атомов углерода вытянутые полые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон.
Графен же - это, собственно говоря, пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру. Таким образом, графен можно считать развернутой в плоскость одностенной нанотрубкой, или двухмерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоев, составляющих кристалл графита.
Собственно, именно так этот новый материал и был впервые получен: ученые провели мягким графитовым карандашом по бумаге, затем "промокнули" ее клейкой лентой - наподобие того, как это делают криминалисты, снимающие отпечатки пальцев с обнаруженной на месте преступления бутылки...
"Нам никто не верил..."
Первые сообщения профессора Гейма о том, что ему действительно удалось отделить от кристалла графита один атомарный слой, были встречены весьма сдержанно. "Никто нам не верил, - вспоминает ученый. - Мы посылали статьи и в Nature, и в Applied Physics Letters, но никто не хотел их публиковать. А многие коллеги из тех, кому было поручено проверить результаты нашей работы, даже не скрывали недоверия. Сегодня все они частенько наведываются ко мне, чтобы поподробнее разузнать о технологии получения нового материала: как наиболее эффективно расслоить графит, чтобы получить тончайший их всех возможных - атомарный - слой углерода".
Эта немыслимо тонкая, практически не имеющая толщины пленка обладает, как оказалось, рядом ценных, а порой и весьма необычных свойств.
Уникальное сочетание уникальных свойств
Представьте себе материал в миллион раз тоньше листа писчей бумаги! Казалось бы, он должен быть крайне непрочным. Ничего подобного, напротив! Гексагональная кристаллическая структура - своего рода плоские пчелиные соты из атомов углерода - придает графену гибкость, прочность, эластичность, а главное - высокую стабильность, в том числе и при комнатной температуре.
Кроме того, графен обладает высокой тепло- и электропроводностью. Это последнее свойство делает его особенно привлекательным материалом для электронной отрасли, - говорит профессор Гейм: "Для полупроводниковой промышленности очень важно иметь материалы, в которых носители электрического заряда могли бы передвигаться без помех. Ведь повсюду, где электроны рассеиваются на кристаллической решетке, выделяется тепло. Эти потери, в конечном счете, и ограничивает рабочую частоту электронных компонентов. В самом распространенном полупроводниковом материале - кремнии - электроны могут передвигаться относительно свободно. Но, скажем, у арсенида галлия этот показатель в шесть раз выше. Поэтому в мобильных телефонах и приемниках спутниковых сигналов сегодня используются микропроцессоры на основе арсенида галлия".
Графен - рекордсмен по подвижности электронов
Главный параметр, определяющий это свойство, именуется подвижностью электронов. Эта величина показывает, насколько свободно носители заряда могут передвигаться внутри материала. То, что в графене этот показатель исключительно высок, стало ясно сразу же после открытия нового материала: профессор Гейм уже тогда отмечал, что в графене электроны преодолевают расстояния, в тысячи раз превышающие межатомные, не рассеиваясь и вообще практически не реагируя на внешнюю среду. Дальнейшие измерения показали, что по подвижности электронов графен превосходит все известные твердые вещества.
"В графене подвижность электронов в 10 - 20 раз выше, чем в арсениде галлия, который применяется довольно широко именно потому, что характеризуется высокой подвижностью носителей заряда, - поясняет Андрей Гейм. - Это значительный качественный скачок, который открывает новые перспективы в разработке более быстрых электронных компонентов. Нынешние компьютеры на кремниевых или арсенид-галлиевых микропроцессорах работают с тактовой частотой, измеряемой в мегагерцах и гигагерцах. Графен же позволит создать чипы, пригодные для терагерцовых, то есть в 1000 раз более высоких частот".
Триумфальное шествие графена начинается
Впрочем, компьютерной отраслью перспективы прикладного применения графена не ограничиваются. Так, уже сегодня ведется работа над созданием электропроводящих покрытий для дисплеев мобильных телефонов, элементов солнечных батарей и высокочувствительных сенсоров для химического анализа жидкостей и газов на основе графена.
Профессор Гейм уверен, что со временем графен изменит повседневную жизнь человека не менее радикально, чем это некогда сделали полимеры. Того же мнения придерживается и Константин Новоселов. Он считает, что хотя многие необычные свойства графена будут востребованы лишь в более отдаленной перспективе, сверхбыстрые транзисторы, микромеханические устройства и наносенсоры на основе графена появятся уже в ближайшие годы.
По многочисленным просьбам
