<
  • Главная
Статьи

Нобелівська премія з фізики 2010 року. Нове обличчя вуглецю

Нобелівську премію з фізики 2010 року присудили за дослідження графену - двовимірного матеріалу, який виявляє незвичайні і одночасно досить корисні властивості.Його відкриття обіцяє не тільки нові технології, але і розвиток фундаментальної фізики, результатом чого можуть стати нові знання про будову матерії.Лауреатами Нобелівської премії з фізики цього року стали Андре Гейм і Костянтин Новосьолов - професора Манчестерського університету (Велика Британія), випускники Московського фізико-технічного інституту.

Атоми вуглецю в графені утворюють двовимірний кристал з осередками гексагональної форми.

Нобелівський лауреат з фізики 2010 року Андре Гейм (рід. В 1958 році) - професор Манчестерського університету (Великобританія). Закінчив Московський фізико-технічний інститут, кандидатську дисертацію захистив в Інституті фізики твердого тіла (м Черноголов

Нобелівський лауреат з фізики 2010 року Костянтин Новосьолов (рід. В 1974 році) - професор Манчестерського університету (Великобританія) і випускник Московського фізико-технічного інституту. Працював в Інституті проблем технології мікроелектроніки і особливо

Графен - одна з аллотропних форм вуглецю. Вперше був отриманий поетапним відлущуванням тонких шарів графіту. Графен, сворачиваясь, утворює нанотрубку або фуллерен.

Одне з можливих застосувань графена - створення на його основі нової технології розшифровки хімічної структури (секвенування) ДНК. Вчені з Інституту нанодосліджень Кавлі (Kavli Institute of nanoscience, Нідерланди) під керівництвом професора Декка

<

>

Графен, матеріал товщиною всього в один атом, побудований з «сітки» атомів вуглецю, укладених, подібно до бджолиних стільників, в осередку гексагональної (шести-вугільної) форми. Це ще одна аллотропная форма вуглецю поряд з графітом, алмазом, нанотрубками і фулереном. Матеріал має відмінну електропровідністю, гарну теплопровідність, високу міцність і практично повністю прозорий.

Матеріал має відмінну електропровідністю, гарну теплопровідність, високу міцність і практично повністю прозорий

Ідея отримання графена «лежала» в кристалічній решітці графіту, яка представляє собою шарувату структуру, утворену слабо пов'язаними шарами атомів вуглецю. Тобто графіт, по суті, можна уявити як сукупність шарів графена (двовимірних кристалів), з'єднаних між собою.

Графіт - матеріал шаруватий. Саме це властивість нобелівські лауреати і використовували для отримання графена, незважаючи на те що теорія пророкувала (і попередні експерименти підтверджували), що двовимірний вуглецевий матеріал при кімнатній температурі існувати не може - він буде переходити в інші аллотропние форми вуглецю, наприклад згортатися в нанотрубки або в сферичні фулерени.

Міжнародна команда вчених під керівництвом Андре Гейм, в яку входили дослідники з Манчестерського університету (Велика Британія) та Інституту проблем технології мікроелектроніки і особливо чистих матеріалів (Росія, м Черноголовка), отримала графен простим відлущуванням шарів графіту. Для цього на кристал графіту наклеювали звичайний скотч, а потім знімали: на стрічці залишалися найтонші плівки, серед яких були і одношарові. (Як тут не згадати: «Все геніальне - просто»!) Пізніше за допомогою цієї техніки були отримані й інші двовимірні матеріали, в тому числі високотемпературний надпровідник Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Зараз такий спосіб називається «мікромеханічним розшаруванням», він дозволяє отримувати найбільш якісні зразки графена розміром до 100 мікрон.

Інший чудовою ідеєю майбутніх нобелівських лауреатів було нанесення графена на підкладку з оксиду кремнію (SiO2). Завдяки цій процедурі графен стало можливим спостерігати під мікроскопом (від оптичного до атомно-силового) і досліджувати.

Перші ж експерименти з новим матеріалом показали, що в руках вчених не просто ще одна форма вуглецю, а новий клас матеріалів з властивостями, які не завжди можна описати з позицій класичної теорії фізики твердого тіла.

Отриманий двовимірний матеріал, будучи напівпровідником, володіє провідністю, як у одного з кращих металевих провідників - міді. Його електрони мають дуже високу рухливість, що пов'язано з особливостями його кристалічної будови. Очевидно, що це якість графена укупі з його нанометровій товщиною робить його кандидатом на матеріал, який міг би замінити в електроніці, в тому числі в майбутніх швидкодіючих комп'ютерах, що не задовольняє нинішнім запитам кремній. Дослідники вважають, що новий клас графеновой наноелектроніки з базовою товщиною транзисторів не більше 10 нм (на графені вже отримано польовий транзистор) не за горами.

Зараз фізики працюють над подальшим збільшенням рухливості електронів в графені. Розрахунки показують, що обмеження рухливості носіїв заряду в ньому (а значить, провідності) пов'язано з наявністю в SiO2-підкладці заряджених домішок. Якщо навчитися отримувати «свободновісящая» плівки графена, то рухливість електронів можна збільшити на два порядки - до 2 × 106 см2 / В.С. Такі експерименти вже ведуться, і досить успішно. Правда, ідеальна двовимірна плівка у вільному стані нестабільна, але якщо вона буде деформована в просторі (тобто буде не ідеально плоскою, а, наприклад, хвилястою), то стабільність їй забезпечена. З такої плівки можна зробити, наприклад, наноелектромеханічні систему - високочутливий газовий сенсор, здатний реагувати навіть на одну-єдину молекулу, яка опинилася на його поверхні.

Інші можливі додатки графена: в електродах суперконденсаторів, в сонячних батареях, для створення різних композиційних матеріалів, в тому числі надлегких і високоміцних (для авіації, космічних апаратів і т.д.), із заданою провідністю. Останні можуть надзвичайно сильно відрізнятися. Наприклад, синтезований матеріал графан, який на відміну від графена - ізолятор (див. «Наука і життя» № 4, 2009 г. ). Отримали його, приєднавши до кожного атому вуглецю вихідного матеріалу по атому водню. Важливо, що всі властивості вихідного матеріалу - графена - можна відновити простим нагріванням (відпалом) графана. У той же час графен, доданий в пластик (ізолятор), перетворює його в провідник.

Майже повна прозорість графена передбачає використання його в сенсорних екранах, а якщо згадати про його «надтонкощі», то зрозумілі перспективи його застосування для майбутніх гнучких комп'ютерів (які можна згорнути в трубочку подібно газеті), годин-браслетів, м'яких світлових панелей.

Але будь-які додатки матеріалу вимагають його промислового виробництва, для якого метод мікромеханічного розшарування, який використовується в лабораторних дослідженнях, не годиться. Тому зараз в світі розробляється велика кількість інших способів його отримання. Вже запропоновані хімічні методи отримання графена з мікрокристалів графіту. Один з них, наприклад, дає на виході графен, вбудований в полімерну матрицю. Описано також осадження з газової фази, вирощування при високому тиску і температурі, на підкладках карбіду кремнію. В останньому випадку, який найбільш пристосований до промислового виробництва, плівка з властивостями графена формується при термічному розкладанні поверхневого шару підкладки.

Фантастично велика цінність нового матеріалу для розвитку фізичних досліджень. Як вказують в своїй статті, опублікованій в 2008 році в журналі «Успіхи фізичних наук», Сергій Морозов (Інститут проблем технології мікроелектроніки і особливо чистих матеріалів РАН), Андре Гейм і Костянтин Новосьолов, «фактично графен відкриває нову наукову парадигму -" релятивістську "фізику твердого тіла, в якій квантові релятивістські явища (частина яких не можна реалізувати навіть в фізиці високих енергій) тепер можуть бути досліджені в звичайних лабораторних умовах ... Вперше в твердотільних експерименті можна досліджувати всі нюанси і різноманіття квантової електродинаміки ». Тобто мова йде про те, що багато явищ, для вивчення яких було потрібно будівництво величезних прискорювачів елементарних частинок, тепер можна досліджувати, озброївшись набагато простішим інструментом - найтоншим у світі матеріалом.

***

коментар фахівця

Ми думали про польовому транзисторі ...

Редакція попросила прокоментувати результати роботи нобелівських лауреатів Андре Гейм і Костянтина Новосьолова їх колегу і співавтора. На питання кореспондента «Науки і життя» Тетяни Зіміної відповідає завідувач лабораторією Інституту проблем технології мікроелектроніки і особливо чистих матеріалів РАН (м Черноголовка) Сергій Морозов.

- Як взагалі народилася ідея отримати двовимірний вуглецевий матеріал? У зв'язку з чим? Очікували будь-які незвичайні властивості у цієї форми вуглецю?

- Спочатку у нас не було мети отримати двовимірний матеріал з напівметалу, ми намагалися зробити польовий транзистор. Метали, навіть товщиною в один атом, для цього не годяться - в них занадто багато вільних електронів. Спочатку ми отримували рахункова число атомних площин з кристала графіту, потім стали робити все більш і більш тонкі пластинки, поки не отримали одноатомний шар, тобто графен.

Графен давно, з середини ХХ століття, розглядали теоретики. Вони ж і ввели сама назва двовимірного вуглецевого матеріалу. Саме графен став у теоретиків (задовго до його експериментального отримання) відправною точкою для розрахунку властивостей інших форм вуглецю - графіту, нанотрубок, фулеренів. Він же і найбільш добре теоретично описаний. Звичайно, якісь ефекти, виявлені тепер експериментально, теоретики просто не розглядали. Електрони в графені поводяться подібно релятивістським часткам. Але нікому в голову раніше не приходила ідея вивчати, як буде виглядати ефект Холла в разі релятивістських частинок. Ми виявили новий тип квантового ефекту Холла, який з'явився одним з перших яскравих підтверджень унікальність електронної підсистеми в графені. Те ж можна сказати про властиві графену парадоксі Клейна, відомому з фізики високих енергій. У традиційних напівпровідниках або металах електрони можуть туннелировать крізь потенційні бар'єри, але з ймовірністю істотно менше одиниці. У графені електрони (подібно релятивістським часткам) проникають навіть крізь нескінченно високі потенційні бар'єри безвідбивачевий.

- Чому вважалося, що двовимірний вуглецевий матеріал (графен) буде нестійкий при кімнатній температурі? І як тоді його вдалося отримати?

- Ранні роботи теоретиків, в яких показана нестійкість двовимірних матеріалів, ставилися до нескінченної ідеальної двовимірної системі. Пізніші роботи показали, що в двовимірної системі все-таки може існувати дальній порядок (який притаманний кристалічним тілам. - Прим. Ред.) При кінцевій температурі (кімнатна температура для кристала - досить низька температура). Реальний же графен в підвішеному стані все ж, мабуть, не ідеально плоский, він злегка хвилястий - висота підняттів в ньому порядку нанометра. В електронний мікроскоп ці «хвилі» не видно, але є інші їх підтвердження.

- Графен - це напівпровідник, якщо я правильно розумію. Але подекуди я знаходжу визначення - напівметал. До якого ж класу матеріалів він відноситься?

- Напівпровідники мають заборонену зону певної ширини. У графена вона - нульова. Так що його можна назвати полупроводником з нульовою забороненою зоною або ж напівметал з нульовим перекриттям зон. Тобто він займає проміжне положення між напівпровідниками і напівметал.

- Подекуди в популярній літературі згадується про інших двовимірних матеріалах. Пробувала ваша група отримати будь-які з них?

- Буквально через рік після отримання графена ми отримали двовимірні матеріали з інших шаруватих кристалів. Це, наприклад, нітрид бору, деякі діхалькогеніди, високотемпературний надпровідник Bi-Sr-Ca-Cu-O. Вони не повторювали властивостей графена - одні з них взагалі були діелектриками, інші мали дуже низьку провідність. Багато дослідницькі групи в світі займаються вивченням двовимірних матеріалів. Зараз ми використовуємо нітрид бору в якості підкладки для графенових структур. Виявилося, це радикально покращує властивості графена. Також, якщо говорити про застосування графена для створення композитних матеріалів, нітрид бору тут один з головних його конкурентів.

- Які існують методи отримання графена найбільш перспективними?

- На мій погляд, зараз існують два таких основних методу. Перший - це зростання на поверхні плівок деяких рідкоземельних металів, а також міді і нікелю. Потім графен треба перенести на інші підкладки, і це вже навчилися робити. Дана технологія переходить в стадію комерційних розробок.

Інший метод - вирощування на карбіті кремнію. Але добре б навчитися вирощувати графен на кремнії, на якому побудована вся сучасна електроніка. Тоді б розробка графенових пристроїв пішла б семимильними кроками, оскільки графенову електроніка природним шляхом розширила б функціональні можливості традиційної мікроелектроніки.

Як взагалі народилася ідея отримати двовимірний вуглецевий матеріал?
У зв'язку з чим?
Очікували будь-які незвичайні властивості у цієї форми вуглецю?
Чому вважалося, що двовимірний вуглецевий матеріал (графен) буде нестійкий при кімнатній температурі?
І як тоді його вдалося отримати?
До якого ж класу матеріалів він відноситься?
Пробувала ваша група отримати будь-які з них?
Які існують методи отримання графена найбільш перспективними?


Новости
    Без плагина
    На сайте WordPress имеется файл, именуемый как .htaccess. Многие пользователи не предают ему особого внимания и не используют все его возможности. На самом деле файл .htaccess – это дополнительные конфигурации

    Плагин подписки wordpress
    Очень трудно найти один плагин подписки wordpress , который объединил бы в себе все виды подписок, которые так необходимы сайту. Именно поэтому я решил сделать подборку лучших плагинов, которые смогут

    Слайд-шоу с помощью плагина для WordPress UnPointZero Slider
    Плагин для cms WordPress UnPointZero Slider – новостной слайдер. Он отражает в форме слайд-шоу изображения со ссылками на ваши статьи и краткие выдержки оттуда. Его можно установить и на новостной сайт,

    Плагины для Wordpress
    С помощью этого плагина вы легко сможете интегрировать Google диск на ваш WordPress сайт или блог . Gravity Forms — лучший плагин для создания форм на WordPress, от самых простых (например, форма

    Подписки плагином JetPack: размещение и редакция формы подписки
    Вступление Здравствуйте! В этой статье я покажу, как использовать плагин JetPack для создания пользовательской формы подписки и как эту формы подписки плагином JetPack добавлять в статьи сайта, а при

    Чистка сайта WordPress плагином WP-optimize
    От автора Со временем использования система WordPress накапливает не нужные файлы, комментарии и неиспользуемые данные в базе данных. Эти файлы и данные создаются в процессе работы и нужны для этого,

    Возможности Jetpack плагина
    Вступление Возможности Jetpack плагина это более 30 функциональных модуля плагина, делающего его универсальным плагином WordPress, заменяющего аналогичные сторонние плагины. Jetpack один заменяет десятки

    Резервное копирование WordPress сайта без плагинов
    Вступление Резервное копирование WordPress это второе, что нужно научиться делать после установки WordPress. Можно сколько угодно говорить о безопасности сайта и его защите, но лучшего варианта защиты

    Плагины на приват для Майнкрафт ПЕ
    > > Плагины на приват для Майнкрафт ПЕ Порой всем нам хочется попробовать себя в роли администратора сервера и испытать эту ответственность, но, к сожалению, вы не всегда все знаете о создании

    Плагин WordPress Database Backup. Архивация базы данных блога на WordPress
    Привет друзья! Сегодня на очереди еще один простой, НО, необходимый и полезный плагин — плагин WordPress Database Backup , который с легкостью и самостоятельно произведет процесс, который научно называется:

  • Виртуальный хостинг

    Виртуальный хостинг. Возможности сервера распределяются в равной мере между всеми... 
    Читать полностью

  • Редизайн сайта

    Редизайн сайта – это полное либо частичное обновление дизайна существующего сайта.... 
    Читать полностью

  • Консалтинг, услуги контент-менеджера

    Сопровождение любых интернет ресурсов;- Знание HTML и CSS- Поиск и обновление контента;-... 
    Читать полностью

  • Трафик из соцсетей

    Сравнительно дешевый способ по сравнению с поисковым и контекстным видами раскрутки... 
    Читать полностью

  • Поисковая оптимизация

    Поисковая оптимизация (англ. search engine optimization, SEO) — поднятие позиций сайта в результатах... 
    Читать полностью