Графен - просто и гениально: Константин Новоселов и Андрей Гейм

Что требуется для получения Нобелевской премии? Порой до удивительного мало: скотч и простой карандаш. С помощью этих обычных предметов Константин Новоселов и Андрей Гейм открыли уникальный материал – графен. Однако путь к этой гениальной простоте был достаточно длинным и начался еще в XIX веке.

В 1859 году английский химик Бенджамин Броуди впервые испытал действие сильных кислот на графите, получил суспензию кристаллов оксида графена. Доказательства малой толщины этих кристаллов были получены только в 1948 году. Хотя эти кристаллы были не чистым графеном и их толщина составляла несколько нанометров, в последующих работах было показано, что при восстановлении оксида графита попадаются также фрагменты графита атомарной толщины.

Продолжение истории узнаем из лекции, прочитанной 8 декабря 2010 года в Большом зале Стокгольмского университета.

«B широком смысле физику, которой я тогда занимался, можно назвать мезоскопикой. Это включало в себя такие объекты и явления, как (назову только некоторые из них): двумерный электронный газ (ДЭГ), квантовые точечные контакты, резонансное тунелированние и квантовый эффект Холла (KЭХ). Вдобавок я ознакомился с GaAlAs-гетероструктурами, выращенными с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), улучшил свои навыки в области микро- технологии и технологии микроструктур, электронно-лучевой литографии - технологий, которые я начинал осваивать в России. Всё это сошлось воедино и создало основу для успешной работы с графеном спустя 10 лет», - рассказал один из лауреатов Нобелевской премии по физике «за новаторские эксперименты с двумерным материалом графеном» Андрей Гейм.

Андрей Константинович Гейм родился 21 октября 1958 года в Сочи. Его отец был инженером.  Через несколько лет семья переехала в Нальчик, где Андрей окончил школу с золотой медалью. В 1976 году поступил в Московский физико-технический институт. До 1982 года обучался на факультете общей и прикладной физики, а потом поступил в аспирантуру. Степень кандидата физико-математических наук получил, защитив диссертацию на тему «Исследование механизмов транспортной релаксации в металлах методом геликонного резонанса». Далее работал научным сотрудником в Институте физики твердого тела АН СССР в Черноголовке и в Институте проблем технологии микроэлектроники АН СССР.

Нобелевскую премию Андрей Гейм разделил со своим коллегой Константином Новоселовым.

Константин Сергеевич Новосёлов родился 23 августа 1974 года в Нижнем Тагиле Свердловской области. Его отец, Сергей Викторович Новосёлов, был инженером на Уралвагонзаводе, а мать, Татьяна Глебовна, преподавала английский язык. Уже в школьные годы у Константина проявились выдающиеся способности в области точных наук, особенно в физике и математике. Как отмечают его бывшие учителя, мальчик отличался не только усердием, но и нестандартным подходом к решению задач. Высшее образование Новоселов получил в Московском физико-техническом институте (МФТИ), одном из ведущих технических вузов СССР и России. В 1991 году он поступил на Факультет физической и квантовой электроники МФТИ. Обучение на «Физтехе» с его знаменитой системой подготовки, сочетающей фундаментальное университетское образование с практической работой в базовых научно-исследовательских институтах, оказало ключевое влияние на формирование Константина Новосёлова как ученого. Его дипломная работа выполнялась в Институте физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН) в Черноголовке. Этот момент можно назвать первым пересечением двух путей, которые через несколько лет сольются в большую дорогу к нобелевскому олимпу.

Тема работы Новоселова была связана с технологиями выращивания высокотемпературных сверхпроводников, что стало его первым серьезным опытом в области экспериментальной физики конденсированного состояния. После защиты кандидатской диссертации в 1999 году и отъезда Гейма в Нидерланды, а затем в Великобританию, Новосёлов принял решение последовать за своим старшим коллегой.

Когда в 2001 году Андрей Гейм получил позицию профессора в Манчестерском университете (Великобритания), он вновь пригласил Новосёлова в свою группу, на этот раз в качестве постдока, основной задачей которого было проведение научных исследований под руководством Гейма. Этот переход ознаменовал начало их наиболее плодотворного сотрудничества. В Манчестере, в рамках так называемых «Friday night experiments» – неформальных занятий по пятницам, где группа Гейма ставила рискованные и необычные эксперименты, – и был открыт графен.

Выдержка из интервью Новосёлова, описывающая процесс открытия: «Это был один из наших «пятничных экспериментов». Мы не ставили себе целью открыть новый материал. Мы просто хотели посмотреть, что будет, если мы будем делать все тоньше и тоньше... Использовали самый обычный скотч. Отщепляли слой за слоем от графита, пока не оставался один-единственный слой. И тогда мы увидели нечто удивительное».

Графен – это двумерная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Под двумерностью подразумевается, что атомы располагаются вдоль и поперёк такого материала, но не в высоту. Это означает, что электроны в материале могут перемещаться только в двух измерениях, но не в третьем.

До 2004 года существование стабильных двумерных кристаллов считалось невозможным в соответствии с теориями Ландау и Пайерлса, которые утверждали, что тепловые флуктуации разрушают дальний порядок в низкоразмерных системах. Графит, состоящий из слоев графена, связанных слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, рассматривался как доказательство этой теории: изолировать один слой не удавалось.

Новаторство Гейма и Новосёлова заключалось не только в том, что они смогли получить графен, но и в использованном ими предельно простом и эффективном методе – механическом отслаивании графита с помощью скотча. Этот метод, позже прозванный «scotch-tape method», позволил получать высококачественные чешуйки графена толщиной в один атом.

На фото: Технология микромеханического расщепления (метод скотча) для получения графена. Верхний ряд: Клейкая лента используется для отделения нескольких верхних слоев графита от объемного кристалла материала. Слева внизу: Лента с графитовыми чешуйками прижимается к выбранной подложке. Внизу справа: некоторые чешуйки остаются на подложке даже после удаления ленты.

Ученые не только получили графен, но и описали его свойства: невероятно тонкий, но при этом невероятно прочный, с хорошей теплопроводностью и электропроводностью, почти полностью прозрачный, но очень плотный. Графен открывает новые возможности в области материаловедения и электроники.

Цитата из Нобелевской лекции Константина Новоселова: «Графен – это не просто новый материал. Это целый класс новых явлений... Мы обнаружили, что электроны в графене подчиняются уравнениям Дирака, а не Шрёдингера. Это означает, что мы можем изучать квантовую электродинамику на своем столе».

Самое примечательное, что электроны, движущиеся в графене, ведут себя так, как будто у них нет массы, и перемещаются с постоянной скоростью в тысячу километров в секунду. Это открывает возможность более лёгкого изучения некоторых явлений в меньшем масштабе, то есть без использования большого ускорителя частиц.

Оригинальный «метод скотча» не требует больших инвестиций или сложного оборудования, что значительно помогло расширить географию исследований в области графена. И сейчас сотни лабораторий по всему миру занимаются различными аспектами исследований перспективного двухмерного материала.

Если в 2010 году говорилось, что большинство возможных практических применений графена существуют только в фантазиях, то в наши дни «материал будущего» буквально захватывает повседневность.

Самая ожидаемая сфера применения графена - электроника и гибкие устройства. Уже сегодня появляются аккумуляторы с графеновыми добавками. Они заряжаются в несколько раз быстрее литий-ионных, имеют большую ёмкость и дольше служат. Такие батареи начинают использоваться в смартфонах и электромобилях.

Благодаря своей гибкости и прозрачности графен - идеальный материал для создания складных смартфонов, «умной» одежды со встроенной электроникой и даже прозрачных сенсорных панелей.

Графеновые транзисторы могут работать на частотах в сотни раз выше, чем кремниевые, открывая дорогу для компьютеров нового поколения.

Добавление графена в фотогальванические элементы повышает их эффективность и снижает стоимость. Прозрачные графеновые электроды позволяют солнечным батареям улавливать больше света.

Графеновые мембраны могут использоваться для высокоэффективного и дешёвого разделения водорода из воды, что критически важно для развития водородного топлива.

Графен делает обычные материалы прочнее, легче и долговечнее. Добавление графена в пластик, металл или бетон создаёт сверхлёгкие и сверхпрочные композиты. Это позволяет уменьшить вес самолётов и машин, что ведёт к снижению расхода топлива и выбросов углакислого газа.

Графеновая краска или плёнка могут защищать металлы от коррозии, а кузова машин - от царапин. Такие покрытия невероятно износостойкие.

Уже сегодня уже можно купить теннисные ракетки, клюшки для гольфа или велосипедные рамы, усиленные графеном. Они сочетают минимальный вес с максимальной прочностью и жёсткостью.

Поистине революционные возможности графен открывает в медицине и биотехнологии. Графеновые сенсоры способны обнаруживать ничтожные количества веществ. Это позволяет создавать сверхточные и быстрые устройства для диагностики заболеваний (например, рака или инфекций) по капле крови или выдыхаемому воздуху.

Графеновые наночастицы могут «прикреплять» к себе лекарственные препараты и доставлять их точно к больным клеткам, минимизируя вред для здоровых тканей.

Благодаря своей гибкости и биосовместимости графен идеально подходит для создания имплантов, которые могут взаимодействовать с нейронами мозга. Это даёт надежду на лечение неврологических заболеваний и создание новых видов протезов.

Графеновые мембраны с порами размером в один атом могут стать идеальным фильтром. Они позволяют эффективно отделять молекулы воды от солей, делая процесс опреснения морской воды гораздо менее энергозатратным. С помощью графена можно очищать сточные воды от тяжелых металлов, радиоактивных отходов и других опасных примесей.

Из разряда научных открытий, графен успешно превращается в технологический тренд, который уже трансформирует реальные отрасли промышленности. Причем человечество находится только в начале этого пути, и в ближайшие годы стоит ожидать появления ещё более удивительных графеновых ипостасей, которые кардинально изменят нашу жизнь.

Проект «Нобелевские лауреаты» выполняется при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Десятилетия науки и технологий, объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.