Кто открыл графен: 10 лет назад россияне получили Нобелевку. Их открытие стало революцией в физике

Российские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов стали лауреатами Нобелевской премии

Подданные Нидерландов Андрей Гейм и Великобритании Константин Новоселов, у которого есть и российское гражданство, стали лауреатами Нобелевской премии по физике 2010 года за создание уникального углеродного материала — графена.

Графен поставил точку на транзисторах

Учёные создали на основе графена миниатюрный транзистор, работающий при комнатной температуре, и попутно…

25 апреля 14:04

Оба лауреата — бывшие советские ученые, выпускники МФТИ. Андрей Гейм родился в 1958 году в Сочи, защитил диссертацию в Институте физики твердого тела АН СССР. Работал научным сотрудником в Черноголовке, потом эмигрировал за границу, где трудился в университетах Ноттингема, Копенгагена и Неймегена. С 2001 года работает в английском Манчестере. В настоящее время Гейм, который теперь носит имя Андре, возглавляет Манчестерский центр по «мезонауке и нанотехнологиям», а также отдел физики конденсированного состояния.

Андре Гейм — подданный Нидерландов, в то время как его коллега и второй лауреат Нобеля-2010 Константин Новоселов имеет российское и британское подданство.

Новоселов родился в 1974 году в Нижнем Тагиле. После окончания МФТИ он несколько лет проработал в Черноголовке, после чего уехал в Университет Неймегена, где защитил диссертацию.

Химики придумали наноуменьшитель

Размеры наноэлектроники подошли к пределу. Дальше все будет собираться само по себе из отдельных молекул…

19 августа 16:09

Нобелевскую премию Гейм и Новоселов получили «За новаторские эксперименты, касающиеся двумерного материала графена». На двоих ученые получат 1,5 млн долларов (10 млн шведских крон).

Выступая по телефону на пресс-конференции, Гейм заявил, что не ожидал получения премии. «Мой план на сегодня — пойти на офис и закончить работу с бумагами, которую я еще не успел сделать», — приводит Reuters слова Гейма.

Графен — одна из форм (так называемых аллотропных модификаций), в которых может существовать углерод, пожалуй, самая экзотическая. Более известные — собственно, графит (из которого состоят грифели карандашей), алмаз, карбин (модификация с цепочечным строением молекул) и фуллерен (получивший в научной среде прозвище «футбольный мяч» за свою структуру). Графен представляет собой сверхтонкие (толщиной в один атом) слои из атомов углерода, связанные в гексагональную (состоящую из шестиугольников с общими сторонами) структуру. Как материал — новый и современный — он является самым тонким и одновременно самым прочным. Кроме того, он обладает проводящими свойствами, характерными для таких металлов, как медь. По теплопроводности он превосходит все известные на сегодняшний день материалы. Двумерные слои графена почти прозрачные, однако настолько плотные, что даже самые маленькие молекулы (например, одноатомные молекулы благородного газа гелия) не могут пройти сквозь слой.

Графен — еще одно проявление уникальных химических свойств углерода, благодаря которым, в частности, на нашей планете существует все живое.

Темная энергия «Нобеля»

В Стокгольме начинается нобелевская неделя. В списке номинантов на получение престижной премии в области науки…

04 октября 11:04

Теоретическое исследование графена началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку графен является базой для построения трехмерного кристалла обычного графита. Однако получить графен экспериментально не удавалось. Интерес к нему возродился после открытия углеродных нанотрубок, представляющих собой фактически свернутый в цилиндр монослой.

Попытки получения графена, прикрепленного к другому материалу (ранее было показано теоретически, что свободную идеальную двумерную пленку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания), начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоев графита, но не достигли успеха.

Однако в 2004 году Новоселов и Гейм опубликовали в журнале Science работу, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO₂.

Метод «отшелушивания» является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. После этого ученым удалось таким же способом получить двумерные кристаллы BN, MoS₂, NbSe₂, Bi₂Sr₂CaCu₂O_x.

Фактически открытие графена привело к созданию целого класса принципиально новых двумерных материалов с уникальными свойствами.

Квантовая физика развивает теорию таких объектов, а их практические применения обещают быть поистине впечатляющими. Материалы на основе графена могут перевернуть мир электроники: в частности, ученые предполагают, что графеновые транзисторы будут работать на порядки быстрее, чем современная кремниевая техника. Графен можно использовать для производства прозрачных сенсорных экранов, световых панелей или даже солнечных батарей. В смеси с пластиками графен дает возможность создавать композитные проводящие материалы, более устойчивые к действию высоких температур. Прочность графена позволяет конструировать новые механически устойчивые материалы, сверхтонкие, эластичные и легкие. В будущем из композитных материалов на основе графена, возможно, будут делать спутники, самолеты и автомобили.

Интересно, что в 2000 году Андре Гейм стал лауреатом Шнобелевской премии с формулировкой «За использование магнитов для подвешивания (левитации) лягушки». В научной среде ходят слухи, что после этих опытов лягушка выжила и даже дала потомство.

Эксперты из Thompson Reuters вновь не угадали лауреата Нобелевской премии.

Накануне они предполагали, что премией отметят астрономов, открывших противоречащий фундаментальному закону Хаббла феномен ускоряющегося расширения Вселенной, а также роль темной энергии в нем. Поэтому звонка от Нобелевского комитета могли ждать Сол Перлмуттер из Университета Калифорнии в Беркли, Адам Райес из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе и Брайан Шмидт из Австралийского национального университета. Вторым основным претендентом на премию считалась научная группа космического аппарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, NASA), предназначенного для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной. В качестве возможных лауреатов назывались Чарльз Беннет (NASA и Университет Джона Хопкинса, Мэриленд), а также Лиман Пейдж и Дэвид Шпергель из Принстонского университета (Нью-Джерси). Последние в этом году стали лауреатами молодой, но довольно престижной премии Шоу по астрономии.

Среди отечественных деятелей науки и культуры самыми успешными в плане получения Нобелевских премий являются именно физики.

Они получали столь престижную награду шесть раз, а всего лауреатами стали девять человек. В 1958 году премию получили Павел Черенков, Игорь Тамм и Илья Франк «за открытие и интерпретацию эффекта Черенкова». Через четыре года лауреатом стал Лев Ландау «за пионерские теории в области физики конденсированного состояния, в особенности жидкого гелия». Еще через два года Нобелевский комитет отметил Николая Басова и Александра Прохорова «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе». В 1978 году Петр Капица получил награду «за основополагающие изобретения и открытия в области физики низких температур». В 2000 году лауреатом стал Жорес Алферов «за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной и оптической электронике». И, наконец, последняя на данный момент российская Нобелевская премия досталась в 2003 году Алексею Абрикосову и Виталию Гинзбургу «за пионерский вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести».

почему графен не из России

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 C 60 — 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 , 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.

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.

От редакции:

затрагивая тему модернизации экономики России и развития высоких технологий в нашей стране , мы ставили задачу не только обратить внимание читателей на недостатки, но и рассказать о положительных примерах. Тем более что таковые есть, и немало. На минувшей неделе мы рассказывали о разработке в России топливных элементов, а сегодня поговорим о графене, за изучение свойств которого «бывший наш народ» недавно получил Нобелевскую премию. Оказывается, и в России, а точнее — в Новосибирске, над этим материалом работают весьма серьезно.

Кремний как основа микроэлектроники прочно завоевал позиции в пространстве высоких технологий, и произошло это не случайно. Во-первых, кремнию относительно легко придать нужные свойства. Во-вторых, он известен науке давно, и изучен «вдоль и поперек». Третья причина заключается в том, что в кремниевые технологии вложены поистине гигантские средства, и делать сейчас ставки на новый материал, пожалуй, мало кто решится. Ведь для этого придется перестраивать огромную промышленную отрасль. Вернее, строить ее почти с нуля.

Тем не менее, есть и другие претенденты на лидерство в качестве полупроводникового материала. Например, графен, который после вручения Нобелевской премии за изучение его свойств, стал очень моден. Для перехода на него с кремния действительно есть основания, так как графен обладает рядом существенных преимуществ. Но получим ли мы в итоге «электронику на графене» — еще не ясно, потому что рядом с достоинствами притаились и недостатки.

Чтобы поговорить о перспективах графена в микроэлектронике и о его уникальных свойствах, мы встретились в Новосибирске с главным научным сотрудником Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, доктором химических наук, профессором Владимиром Федоровым.

Алла Аршинова:

Владимир Ефимович, каковы современные позиции кремния в микроэлектронике?

Владимир Федоров:

Кремний очень давно используется в отрасли в качестве основного полупроводникового материала. Дело в том, что он легко легируется, то есть, в него можно добавлять атомы различных элементов, которые направленным образом изменяют физические и химические свойства. Подобная модификация высокочистого кремния позволяет получать полупроводниковые материалы n- или р-типа. Таким образом, направленным легированием кремния регулируют важные для микроэлектроники функциональные свойства материалов.

Кремний — действительно уникальный материал, и именно это является причиной того, что в него вложено столько сил, средств и интеллектуальных ресурсов. Фундаментальные свойства кремния изучены настолько детально, что есть распространенное мнение о том, что ему просто не может быть замены. Однако недавние исследования графена дали зеленый свет другой точке зрения, которая заключается в том, что новые материалы могут быть доведены до такой степени, что смогут заменить кремний.

Кристаллическая структура кремния

Подобные дискуссии возникают в науке периодически, и разрешаются они, как правило, только после серьезных исследований. Например, недавно была схожая ситуация с высокотемпературными сверхпроводниками. В 1986 году Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость в барий -лантан -медном оксиде (за это открытие им была присуждена Нобелевская премия уже в 1987 году — через год после открытия!), которая обнаруживалась при температуре, значительно превышающей значения, характерные для известных к тому времени сверхпроводящих материалов. При этом по строению купратные сверхпроводящие соединения значительно отличались от низкотемпературных сверхпроводников. Затем лавинообразные исследования родственных систем привели к получению материалов с температурой сверхпроводящего перехода 90 К и выше. Это означало, что в качестве хладоагента можно использовать не дорогой и капризный жидкий гелий, а жидкий азот — в газообразном виде его в природе очень много, и к тому же он существенно дешевле гелия.

Но, к сожалению, эта эйфория вскоре прошла после тщательных исследований новых высокотемпературных сверхпроводников. Эти поликристаллические материалы, как и другие сложные оксиды, подобны керамике: они хрупкие и непластичные. Оказалось, что внутри каждого кристалла сверхпроводимость имеет хорошие параметры, а вот в компактных образцах критические токи достаточно невысокие, что обусловлено слабыми контактами между зернами материала. Слабые Джозефсоновские переходы (Josephson junction) между сверхпроводящими зернами не позволяют изготовить материал (например, сделать провод) с высокими сверхпроводящими характеристиками.

Солнечная батарея на основе поликристаллического кремния

С графеном может получиться такая же ситуация. В настоящее время у него найдены очень интересные свойства, но еще предстоит провести широкие исследования для окончательного ответа на вопрос о возможности получения этого материала в промышленном масштабе и использования его в наноэлектронике.

Алла Аршинова:

Объясните, пожалуйста, что такое графен, и чем он отличается от графита?

Владимир Федоров:

Графен — это моноатомный слой, образованный из атомов углерода, который, как и графит, имеет решетку в форме сот. А графит это, соответственно, уложенные друг на друга в стопочку графеновые слои. Слои графена в графите связаны между собой очень слабыми Ван-дер-Ваальсовыми связями, потому и удаётся, в конце концов, оторвать их друг от друга. Когда мы пишем карандашом, это пример того, что мы снимаем слои графита. Правда, след карандаша, остающийся на бумаге, это еще не графен, а графеновая мультислойная структура.

Теперь каждый ребенок может на полном серьезе утверждать, что он не просто переводит бумагу, а создает сложнейшую графеновую мультислойную структуру

А вот если удается расщепить такую структуру до одного слоя, тогда получается истинный графен. Подобные расщепления и провели Нобелевские лауреаты по физике этого года Гейм и Новоселов. Им удалось расщепить графит с помощью скотча, и после исследования свойств этого «графитового слоя» выяснилось, что у него очень хорошие параметры для использования в микроэлектронике. Одним из замечательных свойств графена является высокая подвижность электронов. Говорят, графен станет незаменимым материалом для компьютеров, телефонов и прочей техники. Почему? Потому что в этой области идет тенденция на ускорение процедур обработки информации. Эти процедуры связаны с тактовой частотой. Чем выше рабочая частота, тем больше можно обработать операций в единицу времени. Поэтому скорость носителей заряда очень важна. Оказалось, что у графена носители заряда ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой. Такие свойства графена действительно позволяют надеяться, что можно будет создать устройства, способные работать на терагерцовых частотах, которые недоступны кремнию. Это одно из наиболее интересных свойств материала.

Нобелевские лауреаты по физике 2010 года Андрей Гейм и Константин Новоселов

Из графена можно получить гибкие и прозрачные пленки, что также очень интересно для целого ряда применений. Еще одним плюсом является то, что это очень простой и очень легкий материал, легче кремния; к тому же в природе углерода предостаточно. Поэтому если действительно найдут способ использовать этот материал в высоких технологиях, то, конечно, он будет иметь хорошие перспективы и, возможно, заменит в коне концов кремний.

Но есть одна фундаментальная проблема, связанная с термодинамической устойчивостью низкоразмерных проводников. Как известно, твердые тела подразделяются на различные пространственные системы; например, к системе 3D (three-dimensional) относят объемные кристаллы. Двумерные (2D) системы представлены слоистыми кристаллами. А цепочечные структуры относятся к одномерной (1D) системе. Так вот низкоразмерные — 1D цепочечные и 2D слоистые структуры с металлическими свойствами с термодинамической точки зрения не устойчивы, при понижении температуры они стремятся превратиться в систему, которая теряет металлические свойства. Это так называемые переходы «металл-диэлектрик». Насколько устойчивы будут графеновые материалы в каких-то устройствах, еще предстоит выяснить. Конечно, графен интересен, как с точки зрения электрофизических свойств, так и механических. Считается, что монолитный слой графена очень прочен.

Алла Аршинова:

Прочнее алмаза?

Владимир Федоров:

Алмаз обладает трехмерными связями, механически он очень прочный. У графита в плоскости межатомные связи такие же, может, и прочнее. Дело в том, что с термодинамической точки зрения алмаз должен превращаться в графит, потому что графит стабильнее алмаза. Но в химии есть два важных фактора, которые управляют процессом превращения: это термодинамическая стабильность фаз и кинетика процесса, то есть скорость превращения одной фазы в другую. Так вот, алмазы в музеях мира лежат уже столетиями и в графит не хотят превращаться, хотя должны. Может быть, через миллионы лет они все-таки превратятся в графит, хотя было бы очень жалко. Процесс перехода алмаза в графит при комнатной температуре протекает с очень медленной скоростью, но если вы нагреете алмаз до высокой температуры, тогда кинетический барьер преодолеть будет легче, и это точно произойдет.

Графит в первозданном виде

Алла Аршинова:

То, что графит можно расщеплять на очень тонкие чешуйки, известно уже давно. В чем же тогда было достижение нобелевских лауреатов по физике 2010 года?

Владимир Федоров:

Вы, наверное, знаете такого персонажа, как Петрик. После вручения Нобелевской премии Андрею Гейму и Константину Новоселову он заявил, что у него украли Нобелевскую. В ответ Гейм сказал, что, действительно, подобные материалы были известны очень давно, но им дали премию за изучение свойств графена, а не за открытие способа его получения как такового. На самом деле, их заслуга в том, что они смогли отщепить от высоко ориентированного графита очень хорошие по качеству графеновые слои и детально изучить их свойства. Качество графена очень важно, как и в кремниевой технологии. Когда научились получать кремний очень высокой степени чистоты, только тогда и стала возможна электроника на его основе. Такая же ситуация и с графеном. Гейм и Новоселов взяли очень чистый графит с совершенными слоями, сумели отщепить один слой и изучили его свойства. Они первые доказали, что этот материал обладает набором уникальных свойств.

Алла Аршинова:

В связи с вручением Нобелевской премии ученым с русскими корнями, работающим заграницей, наши соотечественники, далекие от науки, задаются вопросом, можно ли было прийти к таким же результатам здесь, в России?

Владимир Федоров:

Наверное, можно было. Просто они в свое время уехали. Их первая статья, опубликованная в Nature, написана в соавторстве с несколькими учеными из Черноголовки. По-видимому, наши российские исследователи тоже вели работу в этом направлении. Но завершить ее убедительным образом не получилось. Жалко. Возможно, одной из причин являются более благоприятные условия для работы в зарубежных научных лабораториях. Я недавно приехал из Кореи и могу сравнить условия работы, которые мне были там предоставлены, с работой дома. Так вот там я ничем не был озабочен, а дома — полно рутинных обязанностей, которые отнимают много времени и постоянно отвлекают от главного. Меня обеспечивали всем, что было необходимо, причем исполнялось это с поразительной быстротой. Например, если мне нужен какой-то реактив, я пишу записку — и на следующий день мне его привозят. Подозреваю, что у нобелевских лауреатов тоже очень хорошие условия для работы. Ну и им хватило упорства: они многократно пытались получить хороший материал и, наконец, достигли успеха. Они действительно потратили большое количество времени и сил на это, и премия в этом смысле вручена заслуженно.

Алла Аршинова:

А какие именно преимущества дает графен по сравнению с кремнием?

Владимир Федоров:

Во-первых, мы уже сказали, что он обладает высокой подвижностью носителей, как говорят физики, носители заряда не обладают массой. Масса всегда тормозит движение. А в графене электроны движутся таким образом, что можно считать их не обладающими массой. Такое свойство уникально: если и есть другие материалы и частицы со схожими свойствами, то встречаются они крайне редко. Этим графен оказался хорош, этим же он выгодно отличается от кремния.

Во-вторых, графен обладает высокой теплопроводностью, и это очень важно для электронных устройств. Он очень легкий, а графеновый лист — прозрачный и гибкий, его можно свернуть. Графен может быть и очень дешевым, если разработают оптимальные методы его получения. Ведь «скотч-метод», который продемонстрировали Гейм и Новоселов, не является промышленным. Этим методом получают образцы действительно высокого качества, но в очень малых количествах, только для исследований.

И сейчас химики разрабатывают другие способы получения графена. Ведь нужно получать большие листы, чтобы поставить производство графена на поток. Этими вопросами занимаемся и мы здесь, в Институте неорганической химии. Если научатся синтезировать графен с помощью таких методов, которые бы позволили получать материал высокого качества в промышленных масштабах, тогда есть надежда, что он произведет революцию в микроэлектронике.

Алла Аршинова:

Как, наверное, все уже знают из СМИ, графеновую мультислойную структуру можно получить с помощью карандаша и липкой ленты. А в чем заключается технология получений графена, применяемая в научных лабораториях?

Владимир Федоров:

Существует несколько методов. Один из них известен очень давно, он основан на использовании оксида графита. Его принцип довольно прост. Графит помещают в раствор высоко окисляющих веществ (например, серная, азотная кислота и др.), и при нагревании он начинает взаимодействовать с окислителями. При этом графит расщепляется на несколько листочков или даже на одноатомные слои. Но полученные монослои не являются графеном, а представляют собой окисленный графен, в котором есть присоединенный кислород, гидроксильные и карбоксильные группы. Теперь главная задача заключается в том, чтобы эти слои восстановить до графена. Поскольку при окислении получаются частички небольшого размера, то надо их каким-то образом склеить, чтобы получить монолит. Усилия химиков направлены на то, чтобы понять, как можно из оксида графита, технология получения которого известна, сделать графеновый лист.

Есть еще один метод, также достаточно традиционный и известный уже давно — это химическое осаждение из газовой фазы с участием газообразных соединений. Его суть заключается в следующем. Сначала реакционные вещества возгоняют в газовую фазу, потом их пропускают через нагретую до высоких температур подложку, на которой и осаждаются нужные слои. Когда подобран исходный реагент, например, метан, его можно разложить таким способом, чтобы водород отщепился, а углерод остался на подложке. Но эти процессы трудно контролируемы, и идеальный слой получить сложно.

Графен— одна из аллотропных модификаций углерода

Существует и другой метод, который сейчас начинает активно применяться, — метод использования интеркалированных соединений. В графит, как и в другие слоистые соединения, можно помещать между слоями молекулы различных веществ, которые называются «молекулы гостя». Графит — это матрица «хозяина», куда мы поставляем «гостей». Когда происходит интеркаляция гостей в решетку хозяина, естественно, слои разъединяются. Это как раз то, что и требуется: процесс интеркаляции расщепляет графит. Интеркалированные соединения являются очень хорошими предшественниками для получения графена — нужно только вынуть оттуда «гостей» и не дать слоям снова схлопнуться в графит. В этой технологии важным этапом является процесс получения коллоидных дисперсий, которые можно превращать в графеновые материалы. Мы в нашем институте поддерживаем именно такой подход. На наш взгляд, это самое продвинутое направление, от которого ожидаются очень хорошие результаты, потому что из различного рода интеркалированных соединений можно наиболее просто и эффективно получать изолированные слои.

По структуре графен похож на соты. И с недавних пор он стал очень «сладкой» темой

Выделяют и еще один способ, который называют тотальный химический синтез. Он заключается в том, что из простых органических молекул собирают нужные «соты». Органическая химия обладает очень развитым синтетическим аппаратом, который позволяет получать огромное разнообразие молекул. Поэтому методом химического синтеза пытаются получить графеновые структуры. Пока что удалось создать графеновый лист, состоящий примерно из двухсот атомов углерода.

Разрабатываются и другие подходы к синтезу графена. Несмотря на многочисленные проблемы, наука в этом направлении успешно продвигается вперед. Есть большая доля уверенности в том, что существующие препятствия будут преодолены, и графен приблизит новую веху в развитии высоких технологий.

Если у вас есть бриллианты, знайте: несколько лет назад эти сверкающие камни уступили пальму первенства своему серому кузену графиту, пишут журналисты, сообщая, что вчера Нобелевскую премию получили физики русского происхождения, работающие в Великобритании, Андре Гейм и Константин Новоселов. Полученный ими чудо-материал графен открывает поистине фантастические перспективы в электронике и других областях.

Два выходца из России — Андре Гейм и Константин Новоселов, ныне работающие в Манчестерском университете в Великобритании, — удостоены Нобелевской премии по физике за разработку графена — нового материала с уникальными свойствами, сообщает The Wall Street Journal .

«Путь к Нобелевской премии начался для ученых с банального кусочка скотча и графитового карандашного стержня», — повествует автор публикации. Несколько лет назад Гейму и Новоселову понадобилась тонкая пластина графита для исследования его электропроводящих свойств. Они попробовали «ободрать» тончайшие слои с карандашного стержня, наклеивая и снимая скотч. В итоге удалось получить материал толщиной всего в один атом. Материалы толщиной в один атом — особенные: по своим свойствам они совершенно непохожи на стандартные трехмерные, заметил Гейм.

По мнению ученого, графен идеально подходит для производства быстродействующих транзисторов и в отдаленном будущем может вытеснить кремний. В феврале появилась публикация о графеновом транзисторе, работающем в диапазоне радиочастот, а в июне японские и корейские ученые презентовали первый сенсорный экран из графена, сообщает издание.

Кристаллы толщиной в один атом или одну молекулу — это чудо-материалы, поясняет на страницах The New Scientist сам Андре Гейм. Графен «тверже и прочнее алмаза, но растягивается на четверть своей длины, точно резина», поясняет ученый. Графен не пропускает газы и жидкости, проводит тепло и электричество лучше, чем медь. Графеновые транзисторы работают быстрее кремниевых, с графеном можно проводить небывалые эксперименты в сфере квантовой механики, считает новоиспеченный нобелевский лауреат.

Нобелевскую премию по физике редко получают в 36 лет, нечасто и в 51, но именно таков возраст Константина Новоселова и Андрея Гейма — двух ученых российского происхождения, награжденных в этом году премией, обычно присуждаемой ветеранам научного поприща, пишет испанская El Mundo .

«Несмотря на свою молодость, два российских физика за последние годы уже получили такие престижные премии, как EuroPhysics (2008) и премия Кёрбера. Нобелевская премия, присужденная во вторник, венчает череду наград за открытие графена — нового двухмерного материала с уникальными характеристиками, который через несколько лет способен совершить революцию в электронных устройствах», — отмечает корреспондент.

«Помимо страсти к физике, Андрей Гейм на протяжении всей карьеры демонстрировал отличное чувство юмора», — продолжает издание. В 2001 году он опубликовал работу о вращении Земли в соавторстве с неожиданным коллегой — хомяком Тишей, а 2000 году ему была присуждена Шнобелевская премия за использование магнитного поля для левитации лягушек. По мнению Гейма, чувство юмора и любопытство — два качества, необходимые для хорошего ученого.

Исследования Гейма и Новоселова можно считать прорывом в нанотехнологиях — новой и невероятно многообещающей науке, пишет La Stampa . Известно, что алмазы, как и графит, представляют собой кристаллы углерода. Разница в том, что в алмазе атомы углерода формируют трехмерный кристалл, в то время как графит состоит из многочисленных слоев двухмерного кристалла.

«На атомном уровне свойства материалов могут радикально меняться», — пояснил изданию Марко Полини, эксперт по нанотехнологиям Laboratorio NEST Национального научного центра. И именно в бесконечно маленьком мире графит взял реванш. Графен — материал, состоящий из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решетку, — обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным для использования в самых различных областях. Прежде всего, чипы на основе графена могут открыть дорогу к миниатюризации электронных компонентов, и в ближайшие годы графен может стать основой для компьютерных экранов — тонких и невероятно легких, как лист бумаги. Далее: ожидается создание сенсоров, чувствительных к появлению самого минимального количества загрязняющих веществ. Кроме того, будет достаточно добавить один промилле графена, чтобы получить более прочный и устойчивый к высоким температурам пластик. Иными словами, вполне справедливо сказать: «Графен — for ever», пишет итальянская журналистка.

Тоньше волоса, легче шелка, но при этом чрезвычайно прочный: Андре Гейм и Константин Новоселов, выходцы из России, создали поистине удивительный материал под названием графен — и получили за это Нобелевскую премию по физике, пишет SPIEGEL ONLINE . Долгое время считалось, что материал из единичного слоя атомов углерода получить невозможно, но в 2004 году в лаборатории университета Манчестера им удалось получить графен — причем очень простым способом: с помощью обычного скотча и куска графита путем многократного приклеивания.

Открытый материал обладает действительно удивительными свойствами, продолжает издание: квадратный метр решетки графена весит менее миллиграмма, при этом на гамаке из него могла бы с комфортом разместиться кошка.

«Интерес к графену прямо-таки зашкаливает, — признает Корнелиус Нильш из университета Гамбурга. — У нас в Германии существует более 100 рабочих групп, занимающихся исследованием этого материала».

Сам Новоселов, по его словам, был «шокирован» известием о присуждении ему и его коллеге Нобелевской премии. Гейм также не рассчитывал на столь почетную награду, поделился он в беседе с изданием.

Графен и российская реальность

newsru. com

Лауреат

Нобелевской премии 2010 года по физике Андрей Гейм в интервью рассказал, что несколько лет назад не смог приехать в Россию из-за бюрократических проблем с получением визы.

«Я пытался в какой-то момент поехать, но мне визу не дали по почте. Во все другие страны дают по почте, а в России не дают. Поскольку у меня было российское гражданство, меня хотят видеть в посольстве в Лондоне», — сказал выходец из России, профессор британского Университета Манчестера в интервью «Первому каналу»
. По словам Гейма, несмотря на такие проблемы, он все еще хочет навестить институтских друзей.

В настоящее время Андрей Гейм является гражданином Нидерландов. Ранее Гейм и его коллега Константин Новоселов, который разделил Нобелевскую премию с профессором, были сотрудниками физических институтов в подмосковной Черноголовке. Как стало известно, Новоселов, у которого двойное гражданство — России и Великобритании — в конце октября прилетит в Москву на конференцию по нанотехнологиям.

По словам Новоселова, он до сих пор не верит, что это о нем пишут все английские газеты. Как сообщает «Первый канал», своих учеников профессор Новоселов сильно разочаровал. Они считали, что шеф хоть пару дней будет отмечать свою премию, а он первым делом после сообщения о премии погнал их в лабораторию работать.

Лауреаты наливали поздравлявшим вино и просили рассказывать анекдоты

В Университете Манчестера не стали устраивать пышных торжеств в связи с премией. Председатель Британского королевского научного общества поздравил Гейма и Новоселова по телефону. Тем, кто пришел лично пожать лауреатам руку, они наливали красное вино и просили рассказать свежий анекдот.

The Wall Street Journal
Ultrathin Carbon Earns Nobel

Почти час неспешной беседы с лауреатом Нобелевской премии на следующий вечер после того, как о ней было объявлено — это превосходит даже самые смелые мои ожидания.

По логике вещей, мифологическому существу в образе гениального ученого (иные таких премий не получают) надлежит находиться вне зоны досягаемости — скажем так, на вершине мира, в параллельном пространстве, не знаю где.

Но двое потрясающих парней, которые преподнесли человечеству чудо в образе тончайшего и прочнейшего материала на Земле, продолжают жить как ни в чем не бывало — не отключают своих телефонов, выходят на работу, проводят семинары в своем университете, сидят на совещании.

«Не беспокойтесь, они здесь, — говорят мне в Университете Манчестера, — работают в обычном режиме, после шести должны освободиться». Андрея Гейма я-таки не застаю. Интервью «Российской газете» дает Константин Новоселов.

Нобеля в области физики вручили этой паре на двоих, они работали над своим открытием долгих семь лет, оба из России, научная колыбель тоже одна на двоих — Физтех подмосковного Долгопрудного и Институт физики твердого тела АН СССР в Черноголовке.

51 -летний Андрей Гейм, уехав из России, работал в университетах Ноттингема, Копенгагена и Неймегена. В университете Манчестера — с 2001 года. Туда же сманил за собой своего аспиранта, который с 1999 года трудился в Нидерландах. В университете 36-летнего профессора Новоселова зовут смешно — «профессор Костя». Но это нам смешно, а иностранцам полное имя своего русского профессора выговорить затруднительно. К тому же в старой доброй Англии студенты в самом деле зовут своих профессоров просто по именам.

И в самом деле, уже успела стать легендой история, как двое работающих в Британии ученых из России использовали якобы клейкую ленту, расщепляя обычный, типа карандашного, графит на мелкие чешуйки. Открытый Геймом — Новоселовым графен — это абсолютно новый, ранее неизвестный человечеству, тончайший, в один атом толщиной, материал, в сотни раз более прочный, чем сталь. О широчайших возможностях применения их открытия для дальнейшего технического прогресса можно теперь фантазировать до бесконечности.

Российская газета:
Профессор Новоселов, примите наши искренние поздравления с высочайшей наградой. Можно называть вас просто по имени?

Константин Новоселов:
Спасибо! Да, конечно, можно.

РГ:
Константин, я читала на сайте вашего Манчестерского университета, что Андрей Гейм рассказывал, как он спокойно спал всю ночь накануне известия о Нобеле, потому что никак не ожидал выиграть приз. А вы?

Новоселов:
То же самое и я.

РГ:
Почему же вы оба не ожидали?

Новоселов:
Я не могу ответить за Андрея, скажу о себе. В принципе слухи, что нам могут дать Нобелевскую премию, появились еще 2 — 3 года назад. И честно говоря, это все было не очень приятно, поэтому в какой-то момент я решил, что вообще не буду обращать внимания на эти дела. И жизнь наладилась.

РГ:
А почему это портило вам жизнь?

Новоселов:
Ну, все-таки получить Нобелевскую премию — это, наверное, мечта каждого физика. И если понимаешь, что есть шанс, то поневоле начинаешь волноваться. Поэтому лучше об этом не думать.

РГ:
Открытый вами графен называют потенциальным преемником силикона и говорят о его огромных социальных и экономических преимуществах для общества. В самом ли деле это так и в чем преимущества?

Новоселов:
Про то, что графен — преемник силикона, я умолчу. Там куча других проблем, про которые можно прочитать целую лекцию, но в самом деле существует огромное количество площадок, где графен может сработать, где он может заменить другие материалы или просто открыть новые применения. И я, если честно, очень верю, что это произойдет.

Одно из ближайших направлений, которое развивают сразу несколько компаний, — это проводящие прозрачные покрытия. Они необходимы, например, в вашем мобильном телефоне для сенсорного экрана, для жидкокристаллических дисплеев, для вашего компьютера, для солнечных батарей. Это может обеспечить огромный рынок, графен может значительно улучшить существующие технологии.

Одна из причин, почему графен так быстро прошел путь от первых измерений до практически реальных приложений, — это то, что огромное количество людей по всему миру занимаются этим. Например, «Самсунг» очень активен в области графеновой науки и большая исследовательская работа была произведена именно на «Самсунге». У них замечательные исследователи.

Но подробно ответить на ваш вопрос могли бы сегодня в Манчестерской бизнес-школе. Они специально изучают социальные последствия развития графеновой науки. В Манчестере и в Атланте (США) получены гранты от правительства на такое исследование и сравнительный анализ.

Что же касается нас с Андреем, то главное «социальное последствие» — что все последние семь лет мы делали очень интересные эксперименты и получали массу удовольствия от этого.

РГ:
Что вас привело к этому открытию? Как это произошло?

Новоселов:
Это, в принципе, стиль работы, который Андрей насаждает, или, вернее сказать, прививает в нашей лаборатории и которому я стараюсь следовать — так называемые «эксперименты в пятницу вечером». То есть когда вы можете выдвинуть совершенно глупую, бредовую идею и попробовать ее. И если не сработала, то не страшно — вы не потратили много времени. А если сработала, то она может принести очень большие плоды. И графен был одной из таких идей. Была идея сделать транзистор из графита с помощью расщепления его на мелкие чешуйки, и, как ни странно, буквально первые же образцы заработали и после этого было очевидно, что за этим стоит очень интересная физика.

РГ:
Почему вашей исследовательской базой стал университет Манчестера? Это случайность или сознательный выбор?

Новоселов:
Честно говоря, это был не мой выбор, а Андрея Гейма. Мы работали с ним в Голландии, я был его аспирантом. Потом он переехал в Манчестер и попросил меня переехать вместе с ним. В тот момент мне стало скучно в Голландии и я с удовольствием переехал в Англию.

РГ:
В России вас считают российскими физиками. Да и в здешних СМИ тоже пишут — «работающие в Британии российские ученые». Вы готовы признать, что фундаментальную основу, или, лучше сказать, потенциал для сделанного вами открытия заложила российская — советская школа физики?

Новоселов:
Безусловно. База была заложена именно в России. Физтех — это лучший институт в мире, наверное. После него я работал в Черноголовке, где совершенно замечательная школа экспериментальной и теоретической физики. Поэтому все, что я знаю о физике — не все, но, наверное, очень многое, — я получил именно там.

Влияние России определяющее, но я не хотел бы смещать акценты только на Россию. Нужно помнить, что наука — интернациональная вещь. Без этого она работать ну никак не может. Из всего, что мы знаем в данное время о графене, может быть, только 10 процентов или даже меньше были получены нами. Огромное количество групп по всему миру работает над этой проблемой, и мы в нашей работе пользовались их результатами тоже. У нас огромное количество коллабораторов по всему миру, и мы с ними и сотрудничаем и соревнуемся одновременно. Поэтому это существенно интернациональная работа.

РГ:
Можете ли вы назвать советскую или российскую школу физики одной из лучших в мире? Как бы вы определили ее рейтинг?

Новоселов:
Это определить абсолютно невозможно. Я желаю только лучшего российской науке, но это было бы совершенно неправильно, взять и сказать, что мы лучшие. Надо лишь признавать, что мы очень хорошие, и поэтому нам надо идти в люди. Идти в другие страны, отдавать то, что у нас есть, и брать то, что есть у них.

РГ:
Кого бы вы назвали своим главным учителем?

Новоселов:
Андрея. Я, разумеется, очень много узнал про физику на физтехе и в Черноголовке, но то, как делать науку, я узнал, наблюдая за Андреем.

РГ:
Что бы вы могли сказать о нем? Что делает Андрея Гейма уникальным партнером для вас в науке?

Новоселов:
Он бесконечно умный человек. Я не люблю слова гений, но, наверное, к нему оно применимо. Самое главное, чему Андрей научил меня, это не бояться признавать свои ошибки и просто быть достаточно смелым в науке.

РГ:
Можно ли как-то разделить и измерить вклад каждого из вас в эту колоссальную семилетнюю работу?

Новоселов:
Это очень сложно точно определить, но большая часть — это его.

РГ:
Что для вас самое привлекательное в условиях работы, предоставленных Университетом Манчестера?

Новоселов:
Самое важное, что нас здесь полностью оградили от большинства административной работы и мы можем сконцентрироваться только на науке.

РГ:
Британские ученые постоянно сетуют на слабую финансовую базу своих университетов и недостаточное финансирование науки. Вы ощутили это на себе?

Новоселов:
Это правда. Но мы оказались в привилегированной ситуации, нам повезло. У нас было достаточное финансирование.

РГ:
Как часто вы бываете в России, кого навещаете?

Новоселов:
В России я бываю раз в год — полтора, к сожалению, не получается приезжать чаще. В Москве и в Нижнем Тагиле живут мои родственники. Я с удовольствием туда приезжаю. У меня там огромное количество друзей. За те 11 лет, как я уехал, изменения очень заметные. Люди на улицах стали выглядеть счастливее.

РГ:
У вас есть жена, дети?

Новоселов:
Да, есть. Они со мной в Манчестере.

РГ:
Когда состоится вручение премии?

Новоселов:
Не знаю.

РГ:
Каким образом вы узнали, что вам вручили Нобеля? Как все это произошло, что вы пережили в этот миг? Это же просто немыслимо представить.

Новоселов:
Я общался по Скайпу с нашим коллаборатором из Голландии, мы обсуждали последние графики для нашей новой статьи. Это было во вторник. Позвонил телефон, я даже не стал выключать Скайп, просто попросил его подождать. Поднял трубку, они, эти люди из комитета, сразу же выдали себя своим шведским акцентом. — сообщили, поздравили. Потом я вернулся к Скайпу, немного пообщался с этим человеком…

РГ:
То есть вы были в состоянии вот так буднично, как ни в чем не бывало, продолжать «общаться»?

Новоселов:
Да. Тут еще люди приехали из Америки, и я попытался что-то делать с ними, а потом начались уже все эти звонки — и было просто абсолютно невозможно работать. Но за те несколько минут, которые прошли во всем этом первом шоке, я вдруг понял, что все — жизнь изменилась очень сильно. И мне захотелось как бы ее вернуть обратно. И вообще все стало как-то непонятно…

РГ:
Почему?

Новоселов:
Ну это же, как мне кажется, очевидно. Ведь все-таки тяжело представить, как все теперь пойдет. И хочется вернуть все на круги своя и начать снова нормально и продуктивно работать. Нас в университете спросили на следующий день, переносим ли мы семинар или оставляем его, я сказал: давайте будем пытаться делать все настолько приближенно к нормальному дню, насколько это возможно. Плохо получается, но… Наш департамент устроил сегодня вечером встречу, пришли студенты, все были рады, конечно.

РГ:
Вы завидуете тем, «у которых вершина еще впереди», как пел Высоцкий? Или продолжите взбираться все выше? Куда теперь?

Новоселов:
Я уверен, что все еще впереди. Есть идеи. Я буду продолжать самые интересные эксперименты по графену. Эта премия нас очень сильно отбросила назад. Буду пытаться что-нибудь придумать и помимо графена…

Кто же он? Новоселов Константин Сергеевич!

Биография

Известный ученый родился в городе Нижнем Тагиле Свердловской области 23 августа 1974 года в семье инженера и преподавательницы по английскому языку в школе № 39, основателем и директором которой был некогда его дед, Виктор Константинович Новоселов.

Будучи в шестом классе, Константин обнаруживает незаурядные способности и занимает первое место в областной олимпиаде по физике, и чуть позже, на всесоюзной олимпиаде, повторяет успех, войдя в десятку сильнейших. В 1991 году оканчивает дополнительную Заочную физико-техническую школу и в том же году становится студентом Московского физико-технического института. Он обучается по специальности «нанотехнология» на факультете физической и квантовой электроники, и с отличием оканчивает институт, после чего его принимают на работу в ИПТМ РАН (Институт проблем технологии микроэлектроники РАН) в Черноголовке. Там он оканчивает аспирантуру под руководством Юрия Дубровского.

За границей

В 1999 году Константин Сергеевич Новоселов — физик, с уже сложившейся репутацией, переезжает в Нидерланды. Там, в Университете Неймегена, он работает вместе с Андреем Геймом. С 2001 года ученые вместе работают уже в Манчестерском университете. В 2004 году получает степень доктора философии (руководитель Ян-Кеес Маан).

На данный момент Константин Сергеевич Новоселов — профессор Королевского общества и профессор физико-математических наук в Манчестерском университете и имеет двойное гражданство (Россия и Великобритания). Сейчас проживает в Манчестере.

Исследования

Чем известен Константин Сергеевич Новоселов? По мнению аналитического агенства Thomson Reuters, русско-британский физик является одним из часто цитируемых ученых. Из-под его пера вышли 190 научных статей. Однако самым значимым его исследованием является, конечно, графен. Многие слышали это слово, которое кажется простым и знакомым. Технология действительно лаконична и элегантна, как и все гениальное. Дальнейшее изучение возможно, введет человечество в эру сверхбыстрых и сверхтонких мобильных и компьютерных устройств, электрокаров и прочных, но очень легких конструкций.

Награды

Когда Константин Сергеевич Новоселов стал работать в Манчестерском университете, его руководителем стал старший коллега из России, К тому времени тот уже давно занимался исследованиями в этой области и сумел воспроизвести механизм прилипания лап геккона, и на основе него создал липкую ленту, которую физики позже использовали в работе с графеном. До этого Гейму помогал некий китайский студент, но, по словам самого физика, работа стала продвигаться только после того, как за дело взялся Новоселов Константин Сергеевич. Нобелевская премия была присуждена им в октябре 2010 года. Новоселов теперь известен как самый молодой нобелевский лауреат по физике (за последние 37 лет), мало того, на данный момент он является единственным ученым среди нобелевских премиатов, родившимся позже 1970 года.

В том же 2010 году Новоселов получает звание командора ордена Нидерландского льва за существенный вклад в науку Нидерландов, а чуть позже, в 2011 году, указ королевы Елизаветы ll делает его рыцарем-бакалавром, уже за вклад в науку Великобритании. Торжественная церемония посвящения в рыцари проходила чуть позже, весной 2012 года, как и полагается, в Букингемском дворце. Вела ее дочь королевы, принцесса Анна.

Надо сказать, что Константин Сергеевич Новоселов, научная и общественная деятельность которого весьма обширны, получил еще одну престижную награду за исследования графена, став лауреатом премии «Еврофизика» в 2008 году. Она присуждается раз в два года, нобелевских лауреатов среди ее премиантов было всего тринадцать. Премия заключается в денежном вознаграждении и соответствующем сертификате. Также он получил премию Курти, однако уже не за графен, а за список достижений в работе со сферой низких температур и магнитных полей.

О семье и жизни

Константин Новоселов счастлив в браке с супругой Ириной. Хотя она тоже русская, познакомились ученые за границей, в Нидерландах. Ирина родом из Вологды, занимается исследованиями в области микробиологии, (диссертацию защитила в Санкт-Петербурге). У пары две дочери, двойняшки Софья и Вика родились в 2009 году.

Константин Сергеевич, по его собственным словам, не тот отец, который неделями просиживает в лаборатории, пропуская детство собственных детей. Для него изобрести самый маленький в мире транзистор и научить дочь считать до двадцати семи — нечто, стоящее в одном ряду. «Этого никто никогда до тебя не делал», — говорит он.

В свою очередь, его родители никогда не пытались ограничивать сына в интересах. Они всегда были уверены, что их сын очень одарен, и, как говорит сам физик, не удивились, когда он получил Нобелевскую премию.

В интервью для журнала Esquire он признался, что мечтает научиться играть на фортепиано. Он обучается, однако, по его собственному признанию, результаты пока посредственные.

Об СССР

Константин Сергеевич родился в СССР и получил отличное образование. Он сам признается, что такие глубокие знания мало где можно получить. Но в Россию возвращаться не собирается. Пожалуй, именно из-за этого некоторые журналисты невольно упрекают его в отсутствии патриотизма. На это ученый отвечает, что дело не в деньгах, просто в Британии работать спокойнее, ведь в твои дела никто не вмешивается.

Новоселов относится к жизни легко, не зацикливается на неудачах — это одно из его основных правил. Если возникают трудности в отношениях с людьми, он старается не доводить до разрыва, но, если это неизбежно, оставляет последнее слово за другим человеком. У известного физика возникает множество обычных жизненных проблем, например, он был бы готов потратить любые деньги, лишь бы получить немного свободного времени.

Но свою жизнь на работу и отдых он не делит, возможно, в этом и есть ключ продуктивности ученого. Дома он думает о физике, а на работе — просто отдыхает душой.

Что такое графен

Несмотря, конечно, на все достижения в области физики, главной работой Новоселова был и пока остается графен. Эта структура, которую впервые получить в лабораторных условиях удалось именно нашим соотечественникам, является двумерной «сеткой» из атомов углерода толщиной всего в один атом. Сам Новоселов утверждает, что технология не является сложной и создать графен может каждый, чуть ли не из подручных средств. Он говорит, что достаточно для начала купить хороший графит, хотя можно использовать даже карандаши, а также потратиться немного на кремниевые подложки и скотч. Все, набор для создания графена готов! Таким образом, материал не станет достоянием исключительно больших корпораций, Новоселов и Гейм буквально подарили его всему миру.

Удивительные свойства

Также физик удивляется электронным свойствам этого материала. По его словам, графен можно использовать в транзисторах, что и пытаются уже сейчас делать в некоторых компаниях, заменяя привычные детали в мобильных устройствах.

По утверждениям Новоселова, графен произведет революцию в технологиях. Неотъемлемая часть любого фантастического фильма — это невероятные гаджеты, прозрачные, тонкие, не бьющиеся и с огромным функционалом. Если графен постепенно заменит устаревший кремний, технологии из кинематографа появятся и в жизни.

Чем еще примечательны исследования Новоселова и Гейма? Тем, что они практически мгновенно перекочевали из лабораторий на конвейеры, и даже больше — оказались очень полезны уже в первые годы.

Технологии будущего

Где же сейчас применяется графен? Казалось бы, столь недавно открытый материал еще не мог распространиться широко, и отчасти это действительно так. Практически все разработки носят пока экспериментальный характер и не выпущены в массовое производство. Однако применять этот материал пытаются сейчас буквально во всех сферах, что, пожалуй, можно назвать настоящей «графеновой лихорадкой».

Сам графен, несмотря на малый вес и практически полную прозрачность (он поглощает 2 % проходящего света, ровно столько же, сколько обыкновенное оконное стекло), материал очень прочный. Недавние исследования американских ученых показали, что графен отлично смешивается с пластиком. Это в результате дает сверхпрочный материал, который можно использовать во всех областях, начиная от производства мебели и мобильных телефонов и заканчивая ракетостроением.

Из графена уже сейчас созданы опытные образцы аккумуляторов для электрокаров. Они отличаются большой емкостью и малым временем зарядки. Возможно, именно так будет решена проблема с электромобилями, и транспорт станет дешевым и экологичным.

Графен используется в разработках новых сенсорных панелей для телефонов. Если классические сенсоры могут работать только на ровной поверхности, то графен этого недостатка лишен, ведь его можно гнуть как угодно. К тому же высокая электропроводность позволит сделать отклик минимальным.

В авиации

Корпуса ракет и самолетов, сделанные с применением графена, будут в несколько раз легче, что сильно снизит затраты на топливо. Полеты станут такими дешевыми, что позволить себе путешествие на другой край земли сможет позволить себе каждый. Но, помимо пассажирских перевозок, это скажется, конечно, и на грузовых. Снабжение отдаленных уголков планеты станет гораздо лучше, а значит, жить и работать там станет больше людей.

Константин Новоселов: Креативность – это то, что нельзя предсказать

Константин Новоселов начал рисовать, когда уже всерьез занимался наукой. Потому что сам иллюстрирует собственные научные статьи. Китайской графикой Новоселов увлекся из-за недостатка времени и усидчивости, признается он, а также потому, что в этой технике художник рисует не с натуры, а свои ощущения. После открытия графена Новоселов стал всемирно знаменит: в 2010 г. ему и Андрею Гейму за это открытие присудили Нобелевскую премию. Резко вырос интерес и к живописи физика, тем более что Новоселов рисует графеном. В июне – июле в Эрмитаже прошла выставка «Искусственный интеллект и диалог культур», одним из участников которой был Новоселов. Во время этой выставки художник и ученый встретился с корреспондентом и ответил на вопросы «Ведомостей».

Толщина в один атом

– Можете на пальцах объяснить, что такое графен?

– Графен – это один атомный слой графита. Чтобы его получить, нужно делать графит все тоньше и тоньше. Графит – это слоистый материал. Почему вы можете рисовать карандашом – потому что он легко расслаивается и чешуйки, которые отслаиваются, вы видите как след карандаша. Если вы будете отслаивать чешуйки все тоньше, и тоньше, и тоньше, в результате у вас будет один атомный слой этих чешуек, и вот это и будет графен. На удивление, один слой и два себя ведут совершенно по-разному. Три – тоже по-другому. Свойства отличаются радикально. И когда у вас остается один слой, свойства электронов очень-очень необычные. Это то, почему физики его очень любят.

– И что с ним делают?

– С ним, во-первых, удобно работать, он оказался очень устойчивым материалом. Каждый студент может за две минуты сейчас сделать с помощью скотча образец графена, и он будет очень высокого качества. Это очень демократичный материал, а свойства очень необычные. Его электронные свойства можно менять в широких пределах. Это то, что нужно, чтобы делать транзисторы. Транзисторы – это такие электронные приборы, это как кран, его можно открыть или закрыть, ток либо течет, либо не течет. Если у вас есть один слой, это очень легко делать. Плюс там еще огромное количество других свойств: это самый прочный материал, самый теплопроводящий, из-за этих свойств его сейчас много используют. Во всех телефонах Huawei сейчас используется графен для теплоотвода. Я даже сам не знал про это, мне позвонили из компании Ford, оказывается, с октября 2018 г. все автомобили Ford используют графен в каких-то частях двигателя. Они позвонили узнать, какие еще новые интересные материалы сейчас изучаются в нашей лаборатории. Графен очень хорош для печатной электроники. Есть класс электронных устройств, которые очень простые, для них не нужны какие-то сложные технологии, как кремниевая технология. Эти устройства можно просто напечатать на принтере. Поэтому мы делаем графен, режем на очень маленькие кусочки, буквально микрон или меньше, и делаем из этих кусочков чернила и просто ими печатаем.

Родился в 1974 г. в Нижнем Тагиле. В 1997 г. окончил с отличием факультет физической и квантовой электроники МФТИ по специализации «наноэле­ктроника»

1999

переехал в Нидерланды, начал работать в Университете Неймегена

2001

начал работать под руководством Андрея Гейма в Университете Манчестера

2004

защитил диссертацию на степень PhD в Университете Неймегена

2010

лауреат Нобелевской премии по физике (совместно с Андреем Геймом)

2011

избран членом Королевского общества Великобритании

2013

начинает работать как художник и выставляться в России и за рубежом

– А вы этими чернилами, сделанными из маленьких кусочков графена, рисуете?

– Я ими рисую, да. Мне их пришлось немножко модифицировать, чтобы они лучше смачивали рисовую бумагу, на которой я рисую. У одного из стартапов Университета Манчестера есть завод в Китае, который производит печатную электронику на основе графена и других материалов. В частности, я беру на этом заводе графеновую краску, ее немножко модифицирую и рисую.

– Чем вы как ученый занимаетесь сейчас?

– Графеном я сейчас практически не занимаюсь. Мы поняли через какое-то время, что графен не единственный. Он был самым первым двухмерным материалом, самым, наверное, интересным, но он не единственный. Оказалось, таких материалов в один атом толщиной можно создать огромное количество. Я обычно шучу, что если мы берем обычный простой карандаш и рисуем, то у нас получается графен. Еще можно взять цветные карандаши, из них получатся другие материалы. Это шутка, но в ней есть доля правды. Ученые во всем мире сейчас очень много занимаются другими материалами, которые тоже в один атом толщиной. Это стало возможно после графена. И как продолжение этого мы делаем сейчас искусственные материалы. Представьте, что вы пришли в лабораторию, у вас есть один слой графена, один слой другого материала, полупроводник, изолятор. Дальше вы можете их начать складывать и смешивать разные материалы. То есть вы делаете искусственный материал, который в природе не встречается, но вы его складываете с атомарной точностью. У нас студенты это делают буквально руками, по одному слою. Получается довольно-таки толстый набор, и свойства можно контролировать на атомарном уровне, можно какую-то функциональность туда вводить. Мы делаем транзисторы, диоды, фотодетекторы, другие устройства на основе таких материалов.

Что делать в пятницу вечером

– Когда вы осознанно заинтересовались искусством?

– Мне всегда хотелось научиться рисовать. Мне всегда казалось, что я смогу, но я себя останавливал, поскольку я думал, что, наверное, таланта у меня не хватает, а что-то просто так делать – плохо. То есть до какого-то времени я себя просто сдерживал и даже не пытался. Рисовать начал, уже будучи научным работником. Основной продукт ученого – это статья. Открытие – не продукт. Продукт – это когда вы к формуле написали статью, объяснили другим людям. И для статьи всегда нужны иллюстрации, это самый простой способ донести что-либо до людей. Я всегда такие иллюстрации делал сам. Мне очень нравилось рисовать, чтобы это было красиво, понятно и доступно. До какой-то степени я это свое увлечение сдерживал, но в какой-то момент так получилось, что я начал рисовать.

– Вашему художественному образованию в детстве родители уделяли время?

– Мне немного обидно, что у меня не было художественного образования. Мама решила, что не хочет насиловать психику ни мне, ни моей сестре, и нас не отдали ни в музыкальную школу, ни в художественную. В этом смысле мы были абсолютно нормальными детьми, время проводили во дворе. Но зато у меня было хорошее техническое образование. Я проводил очень много времени с отцом, мы занимались автоспортом: он багги, я – картингом. Разумеется, все делалось нами самими на коленке, мы точили, варили.

– То есть потом вы учились китайской графике в первую очередь для себя?

– Только для себя.

– Чем вас привлекает китайский стиль?

– Одна из причин, почему я рисую в китайском стиле, – это нехватка времени и, наверное, нехватка усидчивости. Мне нужно знать ответ сегодня и сейчас. Это опять же, почему я выбрал именно то направление науки, в котором работаю. Разные области науки устроены по-разному. Есть огромные научные проекты, в десятки тысяч людей. Делаешь свой проект, и через пять лет он может еще не закончиться. Мне это не очень нравится. Не то, что это плохая наука, просто это не соответствует моему темпераменту.

Искусственный интеллект vs. человеческий интеллект

В работе, представленной на выставке в Эрмитаже, Константин Новоселов, как и другие участники, исследовал искусственный интеллект. «Победит ли искусственный интеллект настоящий, я не знаю, – говорит художник, – но то, что он не победит creativity, это точно. Поскольку creativity – это то, что вы не можете предсказать. И то же самое с научными открытиями: вы можете создать условия, чтобы открытие произошло, но предсказать и гарантировать это не можете никогда. И шедевр в искусстве вы не можете предсказать. Когда он получится и получится ли вообще, вы не знаете. Я для себя объясняю, что вы должны создать условия, а потом что-то должно случиться, щелкнуть, дальше вы свой мозг должны ввести в пограничное состояние. И когда небольшой толчок извне случайно его переведет в другое состояние, он сам создаст что-то новое. По крайней мере, занятие искусством мне помогло понять, как же работает наш мозг».

– Но вы же графен не за день извлекли.

– Да. Графен мы извлекли где-то минут за 10. Мне очень нравится в той науке, что я делаю, что я могу прийти утром с идеей, а к вечеру уже сделаю образец, его померяю, у меня уже будет ответ. Немного утрирую, но близко к правде. Так что наука и китайское искусство для меня где-то сродни, вам нужно закончить картину буквально на одном дыхании, пока вы находитесь в каком-то определенном душевном состоянии. Нарисовать дважды одну картину не получится. Я знаю, что если я сегодня остановлюсь, то завтра это уже работать не будет. То же самое в физике. Негласное правило для студентов: если сегодня эксперимент идет, то нужно продолжать и не останавливаться, потому что завтра уже что-то будет не так. И видимо, это отсутствие усидчивости у меня с детства, т. е. мне хотелось что-то нарисовать очень большое, красивое, но не прикладывая много усилий. Поэтому трюк от Сент-Экзюпери с удавом и слоном я выбрал как свой любимый. Я когда узнал этот трюк, то мгновенно понял, что это мое. И я все стал рисовать ровно в таком стиле. Я абсолютно не шучу.

– Маленькое уточнение: вы говорите, что вы извлекли графен за 10 минут. Вы первый человек, который его извлек. Мне кажется или это огромная предварительная работа, расчеты, исследования?

– За 10 минут пришла идея, которую мы проверили, и она сработала. После этого потребовался еще год, чтобы получить графен. Но главное – это идея. Идея извлечь графен родилась из так называемых пятничных экспериментов, friday evening experiments. Андрей Гейм, он тогда был моим научным руководителем, установил правило: периодически нужно делать что-то вне основного направления деятельности. Графен был одним из таких экспериментов. Идея была такая: можем ли мы сделать транзистор из графита и мы знаем, что для этого нужно сделать очень-очень тонкий слой графита. Взяли кусок дорогого графита, дали его китайскому студенту, дали ему полировочную машину – иди, отполируй. Он пришел через неделю с горкой пыли. Вот, еще графит есть? Ну, бог с ним, нет и нет, ладно. И забыли про это. А в это же время в соседней лаборатории наши коллеги запускали новый прибор под названием сканирующий тоннельный микроскоп. Металлическая иголка движется над поверхностью, меряет ток между этой иголкой и поверхностью, и поверхность должна быть идеально гладкой. И уже лет 40 для этого используется графит. Почему графит? Потому что его можно отщепить клейкой лентой, у вас получится очень гладкий скол, при этом абсолютно чистый. Там можно увидеть даже атомы с помощью этого микроскопа, т. е. они всегда клейкой лентой отщепляли, эту ленту выбрасывали, вот у вас остается чистая поверхность. Причем все этот способ знают, и я знал в свое время. Это произошло просто в правильный момент. Я про это думал, осталось только поднять эту ленту из мусорного ведра, перенести чешуйки графита на какую-то подложку, приделать контакты и измерить электронные свойства. За какие-то пять минут я сделал образец, и буквально первый же образец показал результат, что это можно использовать как очень-очень плохой транзистор, т. е. стало понятно, что это правильное направление, и после этого потребовался еще год, чтобы дойти до графена.

Почему никто до этого так не сделал? Сложно сказать. Наверное, много причин. Во-первых, все, включая нас, знали, что это невозможно. Я не знал, до какого момента можно делать все тоньше и тоньше, но вся моя практика работы с нанотехнологиями мне подсказывала, что один слой точно нельзя получить. Он будет неустойчивым, распадется, что-то еще с ним случится. Я уверен, что все другие ученые тоже это знали. А второе, почему это получилось, – у нас все-таки оборудование, наш опыт по измерению электронных свойств немножко был побогаче, чем у других людей.

Проблема велосипеда

– А когда вы были студентом Физтеха, наверное, и не предполагали, что станете художником?

– Не поверите, я даже не предполагал, что стану ученым. В 1997 г. закончил институт. А тогда пошла мода на то, что нужно зарабатывать деньги, идти в бизнес, я довольно серьезно этим занимался, фактически очень мало учился. У нас была строительная компания, мы строили, были специалистами по кровле. Я несколько лет практически приходил в институт, чтобы сдавать экзамены, а в основное время зарабатывал деньги. Потом, слава богу, мне это надоело, я вернулся писать диплом и остался в науке. Мне просто стало скучно в бизнесе.

– 1990-е в России были еще и временем расцвета акционизма. Олег Кулик был собакой, Александр Бренер вызывал Ельцина на боксерский поединок. А ваша культурная жизнь тогда из чего состояла?

– Однажды нас, студентов, позвали подрабатывать клакерами за контрамарки. Мы в Большом работали. Мне, конечно, в этом смысле очень повезло. Я пересмотрел весь балетный репертуар Большого, и не по разу, это было здорово. А дальше, в 1994-м, был период, когда в Москве ставили сразу несколько «Гамлетов». Это была очень свежая струя, это было откровение. Но учеба, а потом работа, а потом все вместе отнимали большую часть времени. В тот момент я очень плохо себе представлял, что такое современное искусство.

– В одном из интервью вы говорили о том, что искусство не требует объяснений.

– Я абсолютно в этом уверен.

– Но мы сейчас видели выставку невероятно сложную, с огромным количеством техники, есть вещи, которые ты совершенно не понимаешь, как сделаны.

– А вам это нужно? Вы видите, когда это произведение искусства, а когда просто рисунок. По каким признакам это видно, я вам не смогу объяснить, но это где-то внутри заложено, что-то исходит из этой картины. Я уже рассказывал, что я учился китайскому искусству, рисовал лотосы, бамбуки.

– А потом нарисовали велосипед.

– А потом нарисовал велосипед. Потом [председатель правления ярмарки современного искусства Viennacontemporary] Дима Аксенов у меня его купил. Думаешь – велосипед, я еще таких велосипедов нарисую. С тех пор я больше не могу его нарисовать. Я не знаю, почему. Я же физик, а не метафизик. Я абсолютно рациональный человек. У меня никаких сдвигов в голове нет, я научные статьи публикую по-прежнему. Но с велосипедами проблема. И понимаете, я вам могу какую-то историю про этот велосипед рассказать, но почему этот отличается от вот этого, я вам никогда объяснить не смогу.

Работы Константина Новоселова

– Тогда возьмем группу Obvious – самую успешную из тех, что работает сегодня с искусственным интеллектом. Ведь если бы никому не объясняли, что это изображения, созданные искусственным интеллектом, причем искусственный интеллект является равноправным членом художественного коллектива, это бы не произвело такого мощного эффекта и не продали бы их работу в октябре прошлого года на Christie’s за $432 500. Вот пример, когда конкретное объяснение работает на художника и на историю искусства.

– Оно работает на художника, это правда, на историю искусства работает оно или нет, я в этом не уверен. Я думаю, что искусственный интеллект останется в искусстве, мы его будем применять каким-то образом. То, что сейчас происходит, это такой процесс обучения, мы пытаемся понять, как же это делать. Вы видите, очень много похожих работ появляется. Это нужно пережить. Я думаю, что искусственный интеллект будет одним из инструментов, это очень мощный инструмент. Он уже появился, от этого не избавиться. Нужно ли будет объяснять, что он делает? Я думаю, что нет.

– А если он начнет делать красиво и концептуально?

– Если он будет делать красиво, – это одно, но я думаю, вы сами почувствуете, когда он будет делать настоящее искусство, а когда нет. Уже сейчас видно, где это просто производство, а где это реально искусство.

– Вы сами видите себя в science art?

– Я думал про это, и мне кажется, что у нас хватает проблем в science и хватает проблем в art. Если они сами смешаются, то замечательно. Почему я выбрал именно китайское искусство? Когда я подхожу к полотну, к бумаге и беру кисточку, я не всегда знаю, что я буду рисовать. Если это имеет отношение к science, замечательно, но я не буду себя специально заставлять рисовать что-то, что имеет отношение к науке. Зачем себя вгонять в дополнительные рамки? Поверьте, у меня не так много работ, которые мне нравятся. В год, может быть, 10–20. Те, которые мне не нравятся, я никому не показываю, я их выбрасываю.

Сэр Костя

– Какую роль в вашей судьбе художника сыграл Дмитрий Аксенов?

– Дима мне очень помог. Он мне помог с выставками, у меня какие-то картины стали продаваться. Я подумал: а почему бы мне не стать не физиком-художником, а художником-физиком, может быть, просто художником? Но в какой-то момент понял, что я этого не хочу и даже боюсь. Потому что мне очень нравится, что я рисую, когда хочу. И если у меня не получается сегодня, завтра и месяц ничего не получается, меня это не волнует. Значит, мозг работает в другом направлении, значит, он больше ориентирован на физику. А если бы мое существование от этого зависело, я бы начал волноваться, я бы начал где-то халтурить. Сейчас я выставляю, и делаю, и продаю только те картины, которые мне на самом деле нравятся.

– А вы заинтересованы в выставках, в продажах?

– Я заинтересован только в том, что каждая выставка требует подготовки и вы начинаете про это думать, это некий стимул, как себя вывести на правильное мироощущение. В этом смысле мне нравится. В частности, я недавно стал готовиться к выставке в Оверни, это во Франции, – это совместная выставка с современной художницей Кейт Доуди, у меня с ней несколько проектов. В Оверни выставка будет на бумажной фабрике, это одна из старейших, может быть сейчас самая старая бумажная фабрика. Нобелевские дипломы печатаются на их бумаге. Очень маленькая фабрика, делают бумагу вручную. Кейт познакомила меня с этими людьми, мы решили: а почему бы не сделать маленькую выставку у них? Я попробовал рисовать на их бумаге, получается по-другому, чем на рисовой (которую использую обычно).

– Тоже графеном?

– Графеном и чернилами получается по-другому. Ощущения совсем другие и техника совсем другая, чем на рисовой бумаге, поскольку впитывается гораздо хуже, но там можно другие методы использовать. Я научился с этим работать, там можно снимать лишнюю краску, возникают другие техники. Я какое-то время назад стал готовиться к этой выставке и очень много стал рисовать на их бумаге.

– То есть вы хотели бы дальше развиваться именно как график?

– Меня всегда поражала китайская графика, каллиграфия. В этом смысле она очень похожа на науку. Все, что вокруг нас, очень сложно. Например, вам надо измерить показатель преломления воды в этом стакане. А кругом люди говорят, создают колебания, поверхность неровная, а вода газированная. Но когда вы делаете эксперимент, вам надо убрать все лишнее и оставить только то, что вы хотите, – показатель преломления чистой воды. В этом искусство экспериментатора – как ослабить все ненужные эффекты и усилить то, что нужно. Китайская живопись работает так же. Вы никогда не рисуете с натуры. Вы рисуете свое ощущение.

Есть китайские картины, где за 5–10 штрихов передается какой-то безумно широкий диапазон настроений. Мне до этого еще очень-очень далеко. Это виртуозное владение не только кистью, но еще и собственным мозгом. Вот это вычленение главного важно и в физике, и в китайской живописи.

– Вам не надоело, что вас всегда и везде представляют как художника – лауреата Нобелевской премии по физике? А вы еще и рыцарь.

– Да, причем даже дважды, я еще в Голландии рыцарь. Меня это немножко коробит. Например, у Кейт Доуди была служба в соборе Святого Павла в Лондоне в честь ее работы с беженцами. Я читал там проповедь, и один из клириков ко всем обращался нормально, а ко мне – «сэр Константин». Я ему объясняю, что просто Костя. Еще проще – Коста, как кофе. Он все равно – сэр Коста. Кейт пришлось вмешаться: «Давайте «сэр» уберем, просто Костя».

– Как вы думаете, ваши регалии сказываются на восприятии ваших работ?

– Ничего с этим поделать я не могу – знаю, что это сказывается. Поэтому самое важное то, что я свои работы посылаю своему учителю в Китай. Кто не соврет, так это он. Он честно говорит, когда это полное дерьмо, а когда хорошо. Я совершенно четко осознаю, что есть огромное количество людей, которые талантливее, чем я. Но признание – это полезно. Страдание не всегда полезно. Есть предел, до которого это важно, но иногда похвала тоже очень важна. К художникам надо очень аккуратно относиться, очень ранимые люди.

– Ученые не такие ранимые?

– Очень, очень, очень сильно ранимые. Поэтому путь очень важен, но что здесь более важно – талант, трудоспособность, – всегда очень сложно предсказать. Когда я беру студента к себе на работу, я всегда смотрю на оба параметра. Без таланта, без хороших знаний, конечно же, в науке делать нечего. Но приходится работать очень-очень-очень много, и людей, которые не собираются работать, я к себе не возьму. Я думаю, что в искусстве то же самое. Талант важен, но работа важна тоже.

«Шаг вперед – и вон отсюда»

– В 1993 г. вы были на баррикадах в Москве. Почему?

– Да, я побегал по Москве с арматурой. У нас воодушевление было, что нужно идти защищать демократию. Две вещи меня поразили в ту ночь. Мы всю ночь куда-то бежали, что-то завоевывали. Потом у «Известий» сидели, жгли костры, охраняли какие-то баррикады. Утром нас завели во двор горсовета, напротив памятника Долгорукому, и кто-то очень умный сказал, что борьба еще не закончилась, нам нужны решительные люди, кто готов взять в руки оружие, шаг вперед. Я и мои друзья сделали шаг вперед. Кто-то очень умный сказал: вот те, кто шаг вперед, – вон отсюда! Нас выгнали. Очень-очень-очень умный. Я приехал домой, мы жили в Долгопрудном, на Физтехе. Утром пришло осознание и похмелье от этого ночного приключения. С тех пор я понял, что я больше участвовать ни в какой революции не буду.

– Вы уехали из России потому, что здесь всегда было мало возможностей для ученых?

– В частности, да, но, в принципе, это нормально для ученого, что нужно поучиться в одной лаборатории, поучиться в другой. Когда вы сидите на одном месте, вы не развиваетесь. У меня появилась возможность, я решил, что нужно ехать. Я начал учиться в аспирантуре в Черноголовке, не закончил, уехал в Голландию, аспирантуру там тоже не закончил, уехал в Англию. У нас в институте учат физике очень хорошо, но нас не учат делать науку. Это две разные вещи. Я свою диссертацию нигде не защищал, мне не надо было. При этом мне страшно повезло, что я учился науке у Андрея Гейма. А потом так получилось, что Андрей в какой-то момент сказал: «Ну что, Костя, все, я тебе тут зарплату платил два года, давай сейчас сам». Я пошел, написал проект, мне дали грант, чтобы я сам себе зарплату платил. А потом они пишут: «Костя, а вы знали, что там есть одно условие: вы должны быть кандидатом наук, PhD?» У меня, разумеется, на это времени не было, я давно и думать про это забыл. Я бегал как headless chiсken, я этот диплом кандидата наук был готов в интернете купить. Сложно было, из Англии выгоняют, виза заканчивается. Деньги лежат, их надо брать, а без диплома нельзя. Отдельная история, как я этот диплом защищал в Голландии, было очень весело.

– Как?

– Все, что могло пойти плохо, все пошло. Мне голландцы говорят: «Ладно, если за три месяца успеешь сделать диссертацию, давай».

– Это очень небольшой срок.

– А для голландцев, учитывая педантизм их системы, три месяца – это как вчера. В Голландии еще нужно свою диссертацию издать как книжку с правильным ISBN-номером. Тиражом минимум 200 экземпляров: в одну библиотеку, в другую. Я приехал в издательский дом, там нужно выбрать обложку. Мне было сильно не до этого, но это нужно сделать. А переплет какой будем делать? А какие вообще есть? И тут кто-то такой же умный, как с автоматами: «Скажи честно, ее кто-нибудь будет читать?» – «Нет». – «Хорошо. Такой переплет и сделаем, чтобы ее можно было один раз открыть и все». А у меня уже виза закончилась, я подал на продление, паспорт где-то застрял, мне его прислали за три часа до вылета самолета. А тут еще обанкротилась компания, которой я летел из Англии в Голландию, мне пришлось покупать новый билет в последний момент. Я вбежал в зал, где защита происходит, успел. А защита происходит в Голландии так, что уже все предрешено заранее, но она должна длиться ровно час. Разумеется, никто реально твой диссер не читает, каждый человек по два вопроса приготовил – и все. А я был настолько во встревоженном, экзальтированном состоянии, что на эти вопросы ответы выпаливал как из пушки. И вот вопросы закончились, а время еще осталось. А защиту нельзя закончить раньше. Никто не хочет задавать вопросы. И сидит Андрей Гейм, он приехал на мою защиту, потому что ему почему-то нравилось приезжать в Голландию. Спасибо ему. Андрей, конечно, мой диссер тоже не читал, он в работе участвовал от начала до конца, но что я там писал, он не знает. И вот начальник этой комиссии понимает, что никто больше вопросов задавать не будет, тут его взгляд падает на Андрея: Андрей с Костей еще работает, он-то знает. И просит его задать вопрос. А Андрей понятия не имеет, о чем у меня диссер. Он встает и говорит: «Ну, это, наверное, слишком цинично – задавать Косте вопросы, потому что мы с ним всю эту работу вместе делали. Давайте я вам лучше расскажу анекдот, как Костя добирался к вам сегодня в Голландию». И он 20 минут им рассказывал анекдоты, как паспорт потерялся, как авиакомпания обанкротилась, как меня хотели из страны выгнать. Народ смеялся, время протянули, пока это не закончилось.

Теория небольших скачков

– Вы можете что-то рассказать про будущее? Сейчас технологический прогресс движется очень быстро и наука развивается гораздо стремительнее, чем раньше.

– Во-первых, я умею очень хорошо предсказывать, но только прошлое, будущее – нет. И тут я всегда вспоминаю цитату из Артура Кларка, который писал, что прогнозы – дело неблагодарное, они оказываются – по-английски это было laughably conservative – до смешного консервативными. Технологии развиваются квантовыми ступеньками. Возникает скачок, вы развиваетесь дальше. Ядерная энергия, или транзисторы, или гнущиеся дисплеи. К сожалению, человеческий мозг не может запрограммировать, какие скачки произойдут. Из этой точки мы можем линейно аппроксимировать. Я уверен, что на протяжении 5–10 лет произойдет один, а то и несколько маленьких скачков, которые в сумме нас сдвинут с этой линейной аппроксимации, либо просто ускорят ее, либо вообще отбросят в какую-то другую сторону.

– Вы думаете, что возможен регресс?

– Нет, я бы не был так пессимистичен. Мы когда сделали графен, то очень быстро и энергично с ним работали, научные эксперименты, применение – это было очень весело, было замечательно, было единение огромного количества ученых по всему миру. Такого командного духа ни до ни после я не испытывал, но при этом я абсолютно точно знал, что это такая игрушка для лаборатории, что никогда в жизни это в практику не пойдет. Через 10 лет практически в каждой области технологий мы видим, что графену находят применение, в том числе в больших корпорациях. Это пример того, как я сам очень-очень сильно ошибался. Я знаю, что всегда будет происходить либо один большой скачок, либо много маленьких, которые дадут нам новые направления. Очень много людей говорят, что технологии так быстро развиваются, что человек становится ненужным. На самом деле то же самое происходило и до нас, научные открытия, которые делались в начале XX в. Казалось, вся физика уже создана, ученые не нужны. Сейчас у нас в сто раз больше ученых, если не в тысячу, и мы производим научное знание со скоростью в сто раз больше, чем оно производилось сто лет назад, и все равно количество работы, которое остается, еще колоссальное. Поэтому у меня есть некоторый оптимизм, что технологии, искусственный интеллект не вытеснят нас полностью. В какой-то краткосрочной перспективе – да, такое возможно, но потом мы найдем, чем нам заняться.

Графен — материал будущего | Образовательная социальная сеть

Слайд 1

Выполнил: Кузнецов Иван 9 Г класс Руководитель: Михайлова Татьяна Ильинична

Слайд 2

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ Цель: познакомится самому и познакомить учащихся с новейшими открытиями в области физики на примере графена Задачи: 1. Собрать и проанализировать информацию История открытия графена Получение графена Применение графена 2. Составить презентацию о графене

Слайд 3

Андрей Гейм и Константин Новоселов НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ Два ученых, Константин Новоселов и Андрей Гейм, стали лауреатами Нобелевской премии 2010 года по физике, за открытие графена. Оба лауреата — выходцы из Советского Союза: Андрей Гейм родился в 1958 году в Сочи, Константин Новоселов — в 1974 году в Нижнем Тагиле. Сегодня оба лауреата Нобелевской премии работают в Великобритании, в Манчестерском университете.

Слайд 4

Что такое графен? Если посмотреть на кристаллическую решетку углерода, то слой атомов углерода толщиной в один атом, соединенных в двумерную кристаллическую решетку из правильных шестиугольников, и является графеном.

Слайд 5

Что такое графен? Графен очень гибок и прочен . Это двумерный строительный материал для других углеродных модификаций. Он может быть свернут в безразмерный фуллерен (слева), скручен в одномерную углеродную нанотрубку (в центре) или уложен в трехмерный штабель, образуя графит (справа).

Слайд 7

Рис.1 Схема получения флюорографена НОВОЕ ВЕЩЕСТВО ФЛЮОРОГРАФЕН Таким веществом оказался флюороргафен. Получение флюорографена схематически представлено на рис. 1. Из оксида кремния (механическим отшелушиванием) получали кристалл графена, который накрывался тонкой пленкой оргстекла. После этого основание из оксида кремния вытравливалось, и накрытый графен переносился на другую подложку — очень мелкую золотую. На третьем этапе с помощью ацетона избавлялись от пленки оргстекла, а графен перемещался в тефлоновый контейнер, заполненный мощным фторирующим соединением. Контейнер нагревали до 70°C . Полученные образцы ученые подвергли тщательному исследованию.

Слайд 8

НОВОЕ ВЕЩЕСТВО- ФЛЮОРОГРАФЕН Рис.2 Зависимость удельного сопротивления флюорографена от температуры. Что касается электрических свойств нового соединения, то оно является полупроводником с большой шириной запрещенной зоны . Используя атомно-силовой микроскоп, ученые смогли получить сведения и о механических свойствах новой химической производной графена. На рис.2 представлена зависимость удельного сопротивления флюорографена от температуры.

Слайд 9

НОВОЕ ВЕЩЕСТВО- ФЛЮОРОГРАФЕНОВАЯ « БУМАГА» Рис.3 Флюорографеновая «бумага»толщиной несколько микрометров. Чтобы продемонстрировать возможность синтеза флюорографена в макроскопических масштабах для практического использования, авторы изготовили из него «бумагу» — большое количество «спаянных» вместе кристаллов флюорографена. На рис. 3 показана флюорографеновая «бумага» толщиной несколько микрометров с характерным размером приблизительно 1 см. Она имеет коричневый цвет, который, как известно, получается смешиванием красного, зеленого и желтого. Это означает, что «бумага» из флюорографена почти без потерь пропускает указанные разновидности видимого излучения и активно поглощает фиолетовый свет.

Слайд 10

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР Полевой транзистор…. Сотрудники лаборатории IBM, сумели создать графеновый транзистор, работающий на частоте 100 ГГц (это в 2,5 раза превышает быстродействие транзистора того же размера, изготовленного на кремниевой основе).

Слайд 11

Графен — самое тонкое в мире антикоррозийное покрытие . Не так давно ученые обнаружили, что графен может успешно использоваться в качестве очень эффективного антикоррозионного покрытия. Графеновое защитное покрытие может стать востребованным для защиты от агрессивных факторов внешней среды микроскопических узлов электромеханических устройств и крошечных механизмов.

Слайд 12

На основе скомканного графена и эластичного полимера создан новый тип искусственных мускулов . Графен- новый тип искусственных мускулов . Новый материал демонстрирует и другие интересные свойства, которые позволяют использовать его в качестве искусственных мускулов. А добиться этого достаточно просто, для этого только стоит пропустить электрический ток через токопроводящий графеновый слой.

Слайд 13

Графеновая «татуировка» определяет заболевания, их вид и отсылает эти данные Вашему доктору. Графен- для поддержания здоровья человека. То, что Вы видите на снимке является крошечной «татуировкой» на зубе. Такие «татуировки», изготовленные из углеродной пленки, толщиной в один атом, могут быть нанесены на зубы человека и другие части тела после чего они будут служить для того, что бы поддержать здоровье человека. Татуировка не только определяет сам факт заболевания, но и позволяет точно определить вид заболевания.

Слайд 14

Графен — фильтр для чистой воды. С помощью графена можно получить чистую пресную воду. Достаточно легко можно удалить соль из морской воды, превращая моря и океаны в источник питьевой воды для измученного жаждой населения некоторых стран. Помимо этого, графеновая пленка с отверстиями необходимого размера может стать универсальным фильтром, позволяющим разделять практически любые вещества .

Слайд 15

Тонкая, прозрачная и гибкая графеновая пленка позволит превратить любую поверхность в громкоговоритель. Графен как термоакустический эффект . Эффект, который используется в графеновом динамике, называется термоакустическим эффектом, не требующим использования катушек и постоянных магнитов. За счет отсутствия громоздких и подвижных частей термоакустические динамики могут быть любых размеров, принимать любую форму и накладываться на любую поверхность.

Слайд 16

Графеновые «губки» могут стать основой гибкой электроники будущего . Свойство графена — эластичность . Графен имеет еще одно привлекательное свойство — эластичность. Этот материал, своеобразная графеновая «губка», может выдержать вес, превышающий его собственный вес в 50 тысяч раз. Материал полностью восстанавливает свою изначальную форму, будучи сжатым на 80 процентов, а его плотность намного ниже, нежели плотность других губчатых металлических материалов.

Слайд 17

Графен очищает воду от радиации Открыто ещё одно полезное свойство графена – способность абсорбировать радиоактивные вещества. Слой оксида графена толщиной в один атом способен при растворении в радиоактивно зараженной воде быстро образовать твердые тела из радионуклидов, связывая их между собой. Эти тела затем легко извлечь из воды и утилизировать, что делает довольно быстрым и действенным процесс обеззараживания местности.

Слайд 18

Графен – материал будущего Открытие Андрея Гейма и Константина Новоселова спровоцировало настоящую графеновую лихорадку. Изученные свойства графена позволяют говорить об уникальном сочетании уникальных свойств этого материала. И это всего лишь вершина айсберга возможностей применения графена.

Слайд 19

Графен – материал будущего Итак, мы познакомились с графеном, с его свойствами и признаками. Мы узнали что такое графен и зачем он нужен. По моему мнению, графен будет самым востребованным материалом на производстве и незаменим в обществе. Я думаю, этот материал будущего изменит наш мир к лучшему.

Слайд 20

ССЫЛКИ http://ria.ru/video/20101102/291610704.html http://www.elementy.ru/news/431369 http://ru.wikipedia.org/wiki/ Графен http://www.fizika.zlatoust.ru/blog/2010-10-06-19 http://globalscience.ru/article/read/18798/

ГРАФЕН. Нобелевская премия в области физики за создание ГРАФЕНА. Инновационная технология. ГРАФЕН

5 октября были удостоены Нобелевской премии в области физики за 2010 год за создание самого тонкого в мире углеродного материала – ГРАФЕНА, работающие ныне в Великобритании воспитанники российской научной школы Андрей Гейм и Константин Новосёлов.

Андрей Гейм родился в 1958 году, а Константин Новосёлов — в 1974-м. С 2001 года оба лауреата сотрудники Университета Манчестера.

Российские физики открыли ГРАФЕН всего шесть лет назад. Это второй раз, когда престижную награду дают за открытие нового углеродного материала, причём без существенных практических приложений, завоевавших рынок. О значении этого достижения для России рассказал Иван Бобринецкий — старший научный сотрудник МИЭТа, работающий в области наноэлектроники.

«В середине лета в Монреале я участвовал в конференции NanoTubes-2010 — это престижная научная конференция по углеродным наноструктурам, — и там делал доклад Андре Гейм, он рассказывал о перспективах применения ГРАФЕНА. Константин Новосёлов там не выступал, как и на других подобных конференциях, где мне довелось бывать. И мне всегда казалось немного странным, что Новосёлов сам редко выступает, а чаще всего докладывают его соавторы – Гейм или Морозов. Это, безусловно, характеризует его как скромного человека».

Андрей Гейм и Константин Новосёлов – первые учёные, которым удалось получить ГРАФЕН. Способ, который они использовали, теперь широко применяется во всех лабораториях: с помощью обычного скотча от графита отщепляют достаточно тонкие слои, часть из которых оказывается одноатомными, удивительно, но такой слой возможно увидеть с помощью светового микроскопа. Сегодня разработан ряд других способов получения ГРАФЕНА, например, термическое разложение подложки слоя кремния, при котором ГРАФЕН формируется на поверхности этой плёнки.

«Новосёлов и Гейм открыли ГРАФЕН в 2004 году. Тогда мы пытались осуществить их метод у себя в лаборатории, но он оказался довольно невоспроизводимым. Из нескольких сотен итераций можно получить один графеновый листик. Нас всегда волновали подробности технологии, мы с коллегами интересовались у Гейма, но оказалось, что и они также получали материал – долго и упорно. Так вот, за шесть лет технология получения ГРАФЕНА ушла далеко вперёд, она позволяет теперь делать графеновые листы диаметром до 50 сантиметров», — рассказал Ю. Лин из Исследовательского центра IBM на монреальской конференции.

ГРАФЕН — это слой углерода толщиной в один атом, похожий по структуре на соты. На сегодняшний день это самый тонкий и самый прочный из материалов, известных человечеству. Предполагается, что в ближайшие годы он начнёт играть большую роль в наноэлектронике, например, произойдёт замена кремниевых транзисторов на более маленькие и быстродействующие – графеновые.

ГРАФЕН — это аллотропная форма углерода, монослой. Простым способ можно объяснить так: карандаш, которым Вы пишете, оставляет слои на бумаге – это в сущности графеновые слои. Нанотрубки изучают уже два десятка лет, а ГРАФЕН всего шесть, но прогресс в отношении этих материалов практически одинаковый. Сейчас уже есть транзисторы на основе ГРАФЕНА. В Монреале на NanoTubes-2010 Samsung демонстрировал гибкие дисплеи с диагональю до 70 сантиметров, где один из проводящих электродов сделан из ГРАФЕНА. Ведь графен — это прозрачное вещество, обладающее высокой проводимостью. Другое направление, где находит применение графен – высокопроводящие прозрачные покрытия, это фотоэлектроника, солнечные батареи, где один из электродов должен быть прозрачным.

Технологические трудности, тормозящие внедрение нанотрубок в функциональные элементы цифровой электроники, актуальны и для ГРАФЕНА. Как и графит, графен — это полуметалл, и в нём трудно добиться высокого соотношения токов включения-выключения. В транзисторе это соотношение может составлять несколько порядков. У графена этот показатель не превышает 100:1. Так что перспективы его применения в цифровой электронике не совсем пока ясны, так же, как и перспективы нанотрубок. Гораздо яснее будущее, связанное с применением ГРАФЕНА в аналоговой электронике — в радиочастотных приборах, радарах, средствах телекоммуникации, средствах отображения информации. Об этом рассказывал Андрей Гейм на конференции. В этом направлении графен рассматривается как элемент аналоговой электроники. В несколько рискованном сравнении ГРАФЕН выступает как высокопроводящий элемент при комнатной температуре.

«Есть два пути работы с наноструктурами: сверху вниз и снизу вверх. Путём «сверху вниз» идёт наша традиционная микроэлектроника, когда отсекается лишнее от куска кремния и получается маленький транзистор, — продолжает Иван Бобринецкий. — И мы в лаборатории так делали, и Гейм так делал — брали графит и расщепляли его до минимального элемента, до одиночной чешуйки толщиной в один атом. Мы увидели здесь технологическую проблему и предложили использовать методы традиционной микроэлектроники – такие как, фотолитография, ионная литография – для обрезки всего лишнего и создания нанометровых каналов. Это, по сути, технология, разрабатываемая нами в МИЭТ. Развивается и другой путь – «снизу вверх», причём буквально за два года в мире достигли впечатляющих результатов. Сейчас методом осаждения можно вырастить на любой поверхности любого размера графеновую плёнку. Хотя потом возникает проблема – как снять эту графеновую плёнку с основы, на которой она выросла, и перенести, к примеру, на монитор. И в России это можно сделать, у нас есть новейшее оборудование. То есть научный вклад России в работу с графенами достаточно весом. Но если говорить о внедрении, об инновациях, то с этим хуже. И это обидно, потому что направление создания элементов электроники на основе ГРАФЕНА перспективное. Например, авторитетный учёный Фаэдон Аворис из IBM сейчас полностью переключился с нанотрубок на графен. А эта фирма тонко чувствует инновационную составляющую.

Меня удивляет, что Нобелевскую премию за ГРАФЕН дали так быстро. Конечно, этому материалу сделали колоссальную рекламу, в том числе крупные корпорации, но ведь на рынке из него изделий нет. За фуллерен тоже быстро премию дали. Хотя если посмотреть на применение фуллерена, то кроме антиоксидантных кремов, выпускаемых товарищами из Китая, особого прогресса нет. Использование же фуллеренов в составе композита также не является массовым. Возможно, наметился тренд – отмечают открытие новых углеродных материалов. Эксперты, и я в их числе, рассчитывают, что мы скоро перейдём к элементной электронике на основе углерода. В целом меня как учёного, больше десяти лет занимающегося нанотрубками, отношение Нобелевского комитета к новым углеродным материалам не может не радовать».

Нобелевского лауреата в Сколково не будет

В России переход к инновациям, конечно, слабоват – может быть, из-за отсутствия рынка и компаний, которые готовы поддержать эти работы. В рамках научного института невозможно сделать фабрику по производству ГРАФЕНА, а это ведь основная на данный момент задача. Сейчас основной разработчик графеновой продукции — Samsung и Fujitsu. Становится ясно, что Россия в плане внедрения данных технологий уже отстала. Да и к учёным в этой области, тем, кто живёт и работает в России, в мире предвзятое отношение. На канадской конференции было 700 докладчиков, из них около 15 россиян — достаточно маленькая группа, и ни один не был удостоен устного доклада в отличие от коллег и соотечественников, работающих за рубежом. Возможно, теперь, когда Гейму и Новосёлову присудили Нобелевскую премию, отношение к российским ученым изменится. Ведь это означает, что в России и теперь делают открытия мирового уровня.

Руководитель департамента международного сотрудничества фонда «Сколково», — Алексей Ситников, заявил журналистам, что готов пригласить Нобелевских лауреатов к участию в проекте.

Но Нобелевский лауреат российского происхождения Андрей Гейм сейчас имеет гражданство Нидерландов и не заинтересован в проекте «Сколково», который сейчас активно продвигают российские власти. В интервью Русской службе новостей ученый отметил, что о намерении России пригласить его работать в «Сколково» он «не знает и знать не хочет».

«Меня это никак не интересует. У меня нет российского гражданства, я гражданин Голландии, там у Вас люди что – с ума посходили совсем? Считают, что если они кому-нибудь отсыпят мешок золота, то можно всех пригласить?», — заявил Гейм.

Как сказал Андрей Гейм в интервью журналистам, ГРАФЕН мог быть создан и в России, однако «шансы его создания были 1 из 1000 – по сравнению с тем, что можно было сделать за границей». По этой причине физик когда-то и принял решение уехать.

Графен-ответ на вопрос — Стр 2

Регистрация

14.03.2009

Адрес

Российская империя

Сообщений

6,816

Вес репутации

106

При взаимодействии с водородом графен
превращается в графан

D. C. Elias, R. R. Nair, T. M. G. Mohiuddin, S. V.
Morozov, P. Blake, M. P. Halsall, A. C. Ferrari, D. W. Boukhvalov, M.
I. Katsnelson, A. K. Geim, K. S. Novoselov.
Control of Graphene’s
Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane //
Science. 2009. V. 323. P. 610–613.

Рис.
1. Кристаллическая структура графена
(A) и графана (B). Синим цветом показаны
атомы углерода, красным — атомы водорода.
a — длина связи между атомами углерода,
d — постоянная кристаллической решетки
(графена и графана соответственно).
Измерения, проведенные просвечивающим
электронным микроскопом (Transmission electron
microscopy), дают следующие значения для
графана: a = 1,42 Å, d ≈ 2,42 Å, что практически
не отличается от аналогичных параметров
для графена (a = 1,42 Å, d ≈ 2,46 Å). Интересно,
что теоретические расчеты предсказывают
для графана такие значения a и d: a ≈ 1,53
Å (несогласие с теорией) и d ≈ 2,42 Å
(согласие с теорией).
Хотя графит
известен как одно из самых инертных
химических веществ, группе ученых из
Англии, Голландии и России удалось
добиться химической реакции единичного
атомного слоя графита — графена — с
водородом. В результате образуется
совершенно новое вещество — графан,
которое при очень низких температурах
ведет себя как изолятор. Наблюдения с
помощью просвечивающего электронного
микроскопа показывают, что графан тоже
обладает двумерной гексагональной
кристаллической структурой, но с более
коротким шагом решетки, чем у графена.
О
плоском монослое атомов углерода, плотно
упакованных в гексагональную
кристаллическую решетку, или, проще
говоря, графене,
написано столько, что кажется, что чем-то
новым никого уже не удивишь. Но, как
оказалось, возможно. «Графенную экзотику»
еще можно получить на стыке физики и
химии. Если химическое взаимодействие
структурного «родственника» графена,
углеродной
нанотрубки, с другими элементами
изучено уже довольно хорошо, о химических
реакциях с участием самого графена
почти ничего не известно.
Группе
ученых из Англии, России и Голландии
путем гидрирования (взаимодействия с
водородом) удалось превратить графен
в новое вещество — графан. Об этом
сообщается в статье Control
of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for
Graphane, опубликованной в одном из
последних выпусков журнала Science. Что
интересно, в число авторов работы входят
Эндрю Гейм и Костя Новосёлов — ученые,
первыми получившие графен.
Впервые
термин «графан» появился в 2006 году — в
статье американских физиков-теоретиков
Graphane:
a two-dimensional hydrocarbon, опубликованной в
архиве препринтов, а затем в журнале
Physical Review B. В этой работе теоретически
показано, что в результате взаимодействия
графена с атомарным водородом может
образоваться новое вещество с химической
формулой CH — это вещество и было названо
графаном. Кристаллическая структура
графана, так же как и графена, — двумерная
гексагональная. При этом атомы водорода
присоединяются по обе стороны от
плоскости атомов углерода. Кроме этого,
авторы статьи дополнительно рассчитали
зонную структуру нового материала,
предсказали, что графан должен быть
полупроводником, а также обсудили
вероятные способы получения нового
вещества и его возможное применение в
электронике. И вот теперь настало время
практической реализации предсказанного
материала, а заодно и проверки расчетов
теоретиков.
Как же был получен
графан? Исходный материал — кристаллы
графена — был приготовлен традиционным
образом — микромеханическим отшелушиванием
слоев графита, находящегося на подложке
из оксида кремния (толщина подложки
составляла 300 нм). В том, что получен
именно единичный слой атомов углерода,
исследователи убеждались оптическими
методами и с помощью рамановской
спектроскопии. Далее полученный
графен отжигался при температуре 300°C
в атмосфере аргона в течение 4 часов.
(Эта процедура необходима для избавления
кристаллов исходного материала от
возможных примесей и загрязнений.) Затем
образцы графена подвергались воздействию
так называемой «direct-current» плазмы — смеси
аргона и молекулярного водорода (доля
Н2 составляла 10%), находящейся при низком
давлении — около 0,1 миллибара (1 миллибар
= 100 Па). «Direct-current»
плазма создавалась с помощью разряда
между алюминиевыми электродами (отсюда
ее название). Чтобы избежать возможного
повреждения ионами, образующимися в
плазме в результате облучения, графенные
плоскости располагались на расстоянии
30 см от зоны разряда. После того как
образцы два часа находились в плазме,
и получался графан. На рис. 1 приведено
сравнение кристаллической структуры
графена (A) и графана (B).
Чтобы
удостовериться в том, что получено
действительно новое вещество, ученые
повторили описанные выше манипуляции
с графеном, но уже без 10-процентной
примеси водорода в плазме, и с помощью
рамановской спектроскопии убедились,
что никаких трансформаций графена в
другое вещество не происходило. {1/3}].
Любопытно, что реакция
гидрирования графена является обратимой,
и графан можно снова превратить в графен
с помощью отжига при температуре 450°C в
течение 24 часов. Свойства такого
отожженного графена практически не
изменяются: его сопротивление опять
слабо зависит от температуры и подвижность
зарядов возвращается почти на прежний
уровень.

Украина наиболее успешна при внешнем
управлении ею.
Академик НАН Украины
Юрий Пахомов

Ответить
с цитированием

08.03.2012, 16:56 #4

skroznik

Просмотр
профиля

Сообщения
форума

Личное
сообщение

Записи
в дневнике

Просмотр
статей

Кот, гуляющий сам по себе

Регистрация

14.03.2009

Адрес

Российская империя

Сообщений

6,816

Вес репутации

106

Графен — идеальная атомная решётка

5 октября 2010 г. по решению Шведской
Королевской академии наук Нобелевская
премия по физике за 2010 г. была присуждена
Андрею Гейму (Университет Манчестера,
Великобритания) и Константину Новосёлову
(Университет Манчестера, Великобритания)
за новаторские эксперименты по
исследованию двумерного материала
графена.

Андрей
Константинович Гейм — гражданин
Нидерландов. Родился в 1958 г. в г. Сочи
(Россия). Получил учёную степень 1987 г. в
Институте физики твердого тела Академии
наук СССР (Черноголовка, Россия). Директор
Манчестерского центра мезо-науки и
нанотехнологий, в университете Манчестера
занимает позицию профессора им. Лэнгуорти
и исследовательскую профессорскую
позицию, присужденную в 2010 г. в честь
юбилея Королевского общества
(Великобритания).

Константин
Сергеевич Новосёлов — гражданин
Великобритании и России. Родился в 1974
г. в Нижнем Тагиле (Россия). Учёную степень
получил в Университете Св. Радбода
(Неймеген, Нидерланды). Профессор и
научный сотрудник Королевского общества
в Университете Манчестера (Великобритания).

____________________________________________________________________

За нобелевской премией 2010 г. по
физике скрывается тонкая плёнка
обыкновенного углерода толщиной всего
в один атом. Андрей Гейм и Константин
Новосёлов показали, что углерод в такой
плоской форме обладает исключительными
свойствами, берущими начало в поразительном
мире квантовой физики.
Графен — это
разновидность углерода. Это совершенно
новый материал — не только самый тонкий,
но и самый прочный. Он проводит
электрический ток так же хорошо, как
медь. А тепло он проводит лучше всех
других известных материалов. Он почти
полностью прозрачен, но при этом настолько
плотен, что через него не может проникнуть
даже атом гелия — мельчайшая частичка
газа. Углерод — основа всей известной
нам жизни на Земле — удивил нас в
очередной раз.
Гейм и Новосёлов
извлекли графен из куска графита, который
можно встретить в обычных карандашах.
При помощи стандартной клейкой ленты
они сумели получить плёнку графена
толщиной всего в один атом. При этом
многие считали, что такие тонкие
кристаллические материалы не могут
быть устойчивыми.
Как бы то ни было,
теперь на примере графена физики могут
изучать класс двумерных материалов с
уникальными свойствами. Графен делает
возможными эксперименты, открывающие
новые горизонты в исследовании явлений
квантовой физики. Кроме того, он
прокладывает путь к широкому диапазону
практических применений, включающих
создание новых материалов и производство
инновационной электроники. Прогнозируется,
что графеновые транзисторы будут
значительно быстрее современных
кремниевых, а это даст нам более
производительные компьютеры.
Будучи
практически прозрачным и при этом
хорошим проводником, графен хорошо
подойдет для производства прозрачных
сенсорных экранов, световых табло и,
возможно, даже для солнечных батарей.
При
смешивании с пластмассами, графен может
сделать их электропроводящими, но при
этом более прочными и термостойкими.
Таким способом можно будет создавать
новые сверхпрочные материалы, которые
будет одновременно тонкими, лёгкими и
упругими. Возможно, в будущем автомобили,
самолеты и искусственные спутники будут
изготавливаться из таких композитных
материалов.
Лауреаты 2010 г. уже долгое
время работают вместе. Константин
Новосёлов, которому 36 лет, начал работать
с Андреем Геймом, которому сейчас 51 год,
став его аспирантом в Нидерландах. В
дальнейшем он последовал за Геймом в
Великобританию. Оба они учились в
Московском физико-техническом институте
(МФТИ) и начинали свою исследовательскую
работу в области физики в России. Сейчас
они оба — профессора Университета
Манчестера.
Стиль нынешних лауреатов
— работать легко, как бы играючи. Но и
во время такой «игры» всегда
познаётся что-то новое, а иногда (кто
знает?) удаётся и выиграть по-крупному,
как получилось у них сейчас, когда они
благодаря графену вписали свои имена
в историю науки.
Дополнительную
информацию см. на официальном веб-сайте
Нобелевского комитета:
http://nobelprize.org/nobel_prizes/p…laureates/2010

Украина наиболее успешна при внешнем
управлении ею.
Академик НАН Украины
Юрий Пахомов

Ответить
с цитированием

08.03.2012, 17:03 #5

skroznik

Просмотр
профиля

Сообщения
форума

Личное
сообщение

Записи
в дневнике

Просмотр
статей

Кот, гуляющий сам по себе

Регистрация

14. 03.2009

Адрес

Российская империя

Сообщений

6,816

Вес репутации

106

УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК
Декабрь 2011 г.
Том 181, № 12

Случайные блуждания: непредсказуемый
путь к графену
«Random walk to graphe-ne»

А.К. Гейм

(Нобелевская лекция. Стокгольм, 8 декабря
2010 г.)

1. Введение
Всякий, кто захочет
понять красоту физики графена, будет
иметь огромный выбор среди множества
уже имеющихся научных обзоров и
научно-популярной литературы. Я надеюсь,
что читатель простит меня, если для
этого я отошлю его к своим собственным
работам [1-3]. Вместо того чтобы повторяться
в этой лекции, я решил описать мой
извилистый научный путь, который, в
конце концов, привёл меня к Нобелевской
премии. Большая часть этой истории нигде
не излагалась и продолжалась она с 1987
г., когда я защитил кандидатскую
диссертацию, и до того момента, как была
принята к публикации наша статья 2004 г.,
впоследствии признанная Нобелевским
комитетом. Как и можно ожидать, количество
событий и объяснений в этой истории
увеличивается к её концу. Кроме того,
эта лекция включает детальное описание
работ, имеющих отношение к графену, но
сделанных до 2004 г., и я пытаюсь
проанализировать причину того, что
графен привлёк к себе столько внимания.
Насколько это было возможно, я старался
сделать свой рассказ не просто
информативным, но и легко читаемым, даже
для людей, далёких от физики.
2.
Особенности национальной науки (1)
(1)
В английском оригинале название этого
раздела «Zombie management»: от «zombie»
— «живой мертвец» на языке колдунов
африканских племён.
Темой моей
кандидатской диссертации было
«Исследование механизмов транспортной
релаксации в металлах методом геликонного
резонанса». Всё, что я могу сказать —
это то, что и в то время эта тема была
столь же «актуальной», сколь
«актуальной» звучит она и для
сегодняшнего читателя. Я опубликовал
в журналах пять статей и уложился с
защитой кандидатской диссертации в
пять лет — официально отводимый срок
на аспирантуру в нашем Институте физики
твёрдого тела РАН. Web of Science беспристрастно
отмечает, что статьи были процитированы
дважды, да и то только соавторами. Тема
была мертва уже за десять лет до того,
как я начал работать над диссертацией.
Однако «нет худа без добра», и что
я чётко уяснил для себя из той истории,
это то, что я никогда не буду мучить
студентов, навязывая им «мёртвые»
проекты.
После защиты диссертации
я работал в Институте проблем технологии
микроэлектроники и особо чистых
материалов РАН в Черноголовке. Советская
система позволяла и даже поощряла
молодых сотрудников выбирать свои пути
в науке. После года пробных экспериментов
в различных направлениях я отошёл от
тематики своего бывшего научного
руководителя в аспирантуре Виктора
Петрашова и начал создавать собственную
нишу. Я придумал экспериментальную
систему, которая была нова и в тоже время
могла быть реально сделана в тогдашних
условиях; это, учитывая скудность
ресурсов в советских научно-исследовательских
институтах, был, можно сказать, оксюморон
(3).
(3) Оксюморон (от греч. — «острая
глупость») — термин античной стилистики,
обозначающий нарочитое сочетание
противоположных понятий. («Литературная
энциклопедия».)
Я сделал сэндвич
из тонкой металлической плёнки и
сверхпроводника, разделённых тонким
изолятором. Сверхпроводник служил
только для концентрации внешнего
магнитного поля в области вихрей
Абрикосова, и возникающее сильно
неоднородное магнитное поле действовало
на исследуемую плёнку. Поведение
электронов проводимости в микроскопически
неоднородных полях, меняющихся на
субмикронном уровне, представляло собой
неосвоенную территорию. Я опубликовал
свой первый экспериментальный результат
на эту тему [4], за которым вскоре независимо
последовала статья Саймона Бендина
(Simon Bending) [5]. Это было интересное и
актуальное направление для исследований,
так что я продолжал заниматься этим
несколько последующих лет, включая
работу с Саймоном в университете города
Бат (University of Bath, Великобритания), где я
находился в 1991 г. в качестве постдока.
Этот
опыт преподал мне важных урок: создание
принципиально новой экспериментальной
системы в целом более выигрышно, чем
попытки искать новые явления в уже
известных областях. Шанс на успех в
новых областях гораздо выше. Конечно,
фантастические результаты, на которые
надеешься, не всегда реализуются, зато
в процессе создания нового неизбежно
появляется что-то оригинальное.
3.
Что одному мусор, то другому золото
В
1990 г., благодаря директору моего института
в Черноголовке Виталию Аристову, я
получил шестимесячную стипендию от
Британского Королевского общества,
которая позволяла мне поработать в
одном из английских университетов.
Лоренц Ивс (Laurence Eaves) и Питер Мейн (Peter
Main) из университета в Ноттингеме любезно
согласились принять меня в качестве
визитёра. Шесть месяцев — это очень
короткий срок для экспериментальной
работы, и обстоятельства предполагали,
что я буду заниматься только изучением
экспериментальных систем, уже имеющихся
в лаборатории принимающей стороны. В
моём распоряжении была субмикронная
проволока (одномерная структура) из
арсенида галлия, оставшаяся от предыдущих
экспериментов, завершившихся на несколько
лет ранее. В тех условиях мой опыт работы
в бедствующих лабораториях советской
Академии наук оказался полезным. Образцы,
которые мои боссы считали отработанными
и практически бесполезными, для меня
представлялись золотыми жилами, и я
начал работать с ними по 100 часов в
неделю. В результате этого короткого
визита появились две статьи вполне
приличного качества в Phys. Rev. Letters [6, 7]. Я
часто поддразниваю своих молодых коллег
этой историей. Когда дела идут не по
плану и они начинают жаловаться, то я
подстёгиваю их, разъясняя, что «нет
такого понятия, как плохой образец, а
есть только плохой студент или аспирант».
Ищите внимательней и всегда найдёте
что-то новое. Конечно, лучше избежать
подобного жизненного опыта и осваивать
новые территории, но даже если повезёт
настолько, что удастся найти такой
уникальный объект исследования, как
графен, то и в этом случае дотошность и
настойчивость позволят достичь успеха
гораздо быстрее.
Темп исследований
в Ноттингеме был столь стремительным
и одновременно вдохновляющим, что
возвращение в Россию было немыслимым.
Возвращение к советской действительности
для меня казалось равноценным растрачиванию
впустую остатка моей жизни. Так, в
тридцать три года, с индексом Хирша (4)
h = 1 (последние работы тогда ещё в печати
не появились), я вышел на западный рынок
труда для постдоков. Последующие четыре
года я переезжал с места на место между
различными университетами: из Ноттингема
в Копенгаген, потом в Бат, потом обратно
в Ноттингем. Каждый переезд позволял
ознакомиться с одной или с двумя новыми
идеями, что существенно расширяло мои
исследовательские горизонты. В 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 тунелирование и
квантовый эффект Холла (КЭХ). Вдобавок
я ознакомился с GaAlAs-гетероструктурами,
выращенными с помощью молекулярно-лучевой
эпитак-сии (МЛЭ), улучшил свои навыки в
области микротехнологии и технологии
микроструктур, электроннолучевой
литографии — технологий, которые я
начинал осваивать в России. Всё это
сошлось воедино и создало основу для
успешной работы с графеном спустя 10
лет.
(4) Индекс Хирша (h-индекс) —
наукометрический показатель, предложенный
в 2005 г. американским физиком Хорхе Хиршем
из университета Сан-Диего, Калифорния.
Индекс Хирша является количественной
характеристикой продуктивности учёного:
индекс равен h, если у этого учёного есть
h статей с цитируемостью выше h
4.
Голландский комфорт (5)
К 1994 г. я уже
имел достаточное количество хороших
публикаций и посетил достаточно
конференций для того чтобы претендовать
на штатную университетскую должность.
Когда мне предложили должность доцента
в университете Неймегена (University of
Nijmegen, Netherlands), то я немедленно ухватился
за эту возможность получить, наконец,
некую стабильность в моей постсоветской
жизни. Первоочередной задачей в Неймегене
было, конечно, упрочить свои позиции.
Но для продолжения моих прежних
исследований не было ни технологического
оборудования, ни начального финансирования.
Из имеющихся ресурсов у меня был доступ
к магнитам, криостатам и электронному
оборудованию в Неймегенской лаборатории
сильных магнитных полей (Nijmegen’s High Field
Magnet Laboratory), руководимой Яном Кис Мааном
(Jan Kees Maan). Он же был моим формальным
боссом и ответственным за расходование
денежных средств. Даже когда я выигрывал
гранты (пока я жил там, голландский фонд
Dutch Funding Agency FOM был щедр ко мне), то я, хотя
и являлся руководителем проекта, не мог
тратить деньги по своему усмотрению!
Все средства распределялись через так
называемые «рабочие группы»,
возглавляемые штатными профессорами.
Кроме того, в Голландии формально только
штатные профессора могли руководить
аспирантами. Возможно, многим покажется
всё это странным, но такова была
голландская университетская система
1990-х гг. Это было трудное для меня время.
В течение двух-трёх лет я пытался
приспособиться к этим условиям, сильно
контрастирующим со счастливыми и
продуктивными годами, проведёнными в
Ноттингеме. К тому же ситуация была в
какой-то мере сюрреалистическая, так
как за пределами университетских стен
я чувствовал сердечную теплоту и
доброжелательность, исходящую от каждого
вокруг, включая Яна Киса и других
профессоров.
(5) Dutch comfort — имеет
смысл: могло быть и хуже.
Тем не менее
условия для исследователей в Неймегене
были гораздо лучше, чем в России и, в
конечном счёте, позволяли выжить в
научном плане: спасибо «загранице»!
Ноттингенские коллеги (именно Мохамед
Хенини — Mohamed Henini) прислали мне ДЭГ-образцы,
которые были переправлены в Черноголовку,
где Сергей Дубонос, мой близкий друг и
коллега с 1980-х годов, изготовил всё, что
мне требовалось. Направление исследований,
к которому я, в конце концов, пришёл и
на котором впоследствии сконцентрировался,
можно определить как мезоскопическую
сверхпроводимость. Сергей и я использовали
структуры с холловской геометрией
микронных размеров, изготовленные из
ДЭГ-образцов, для локального анализа
магнитного поля вокруг малых сверхпроводящих
объектов. Это позволяло измерять их
намагниченность с точностью, достаточной
не только для наблюдений за движением
отдельных вихрей, но и наблюдать множество
гораздо более тонких эффектов. Это была
новая экспериментальная ниша, которую
можно было «заполнить» благодаря
развитию оригинальной методики
баллистической холловской микро-магнетометрии
[8]. Последующие несколько лет мы осваивали
эту нишу и опубликовали несколько статей
в Nature и Phys. Rev. Letters. Статьи содержали
результаты по парамагнитному эффекту
Мейснера, по вихрям, несущим дробный
поток, по конфигурации вихрей в
ограниченном пространстве и т.д. Моя
супруга, Ирина Григорьева, специалист
по физике вихрей [9], не могла найти работу
в Голландии, а потому имела достаточно
времени, чтобы помогать в продвижении
моих исследований и в написании статей.
Так же и Сергей. Он не только изготавливал
образцы, но во время своих визитов в
Неймеген помогал в проведении измерений.
У нас сложилась очень продуктивная
система работы, когда он собирал данные,
а я анализировал их в течение часа на
компьютере в соседнем кабинете и потом
решал, что надо бы сделать дальше.
5.
Награда за легкомыслие
Первые
результаты по мезоскопической
сверхпроводимости начали появляться
в 1996 г. Это позволило мне почувствовать
себя увереннее в голландской академической
среде и одновременно стимулировало
интерес к другим вещам. Я стал искать
новые области для исследований. Самой
значимой частью из имеющегося в Неймегене
оборудования были мощные электромагниты.
Они же были и самой большой головной
болью. Магниты обеспечивали поля до 20
Тл, что, хоть и не намного, но больше, чем
те 16-18 Тл, которые достигались с помощью
сверхпроводящих магнитов многими нашими
конкурентами. С другой стороны, наши
электромагниты так дорого обходились
в эксплуатации, что мы могли включать
их только на несколько часов по ночам,
когда электричество было дешевле. До
этого я не пользовался электромагнитами,
так как мои работы по мезоскопической
сверхпроводимости требовали очень
слабых полей (< 0,01 Тл). Такое положение
вещей создавало во мне ощущение некой
вины, и я считал себя обязанным предложить
какие-нибудь эксперименты, которые
оправдывали бы само наличие у нас
электромагнитов. Единственное
преимущество, которое я в них видел, —
это комнатная температура в зазорах.
Такое положение часто рассматривают
как сильный недостаток, поскольку
исследования в физике конденсированного
состояния требуют низких, гелиевых,
температур. Противоречие подсказывало
мне, как и моим коллегам, что надо бы
поразмыслить об эффектах сильного поля
при комнатных температурах. К сожалению,
выбор у нас был небольшой.
В конце
концов, я наткнулся на загадку так
называемой магнитной воды. Считается,
что если поместить ёмкость с горячей
водой внутрь небольшого магнита, то это
предотвратит образование осадка в
ёмкости. Или, что если установить такой
магнит на водопроводный кран, то чайник
никогда не будет «зарастать»
известковыми отложениями. В продаже
имеется большое разнообразие таких
магнитов. Кроме того, имеются сотни
статей об этом явлении, но физика вопроса
оставалась неясной, так что многие
учёные скептически относились к самому
существованию эффекта [10]. За последние
пятнадцать лет я сделал несколько
безрезультатных попыток исследовать
«магнитную воду», так что прояснить
ситуацию мне не удалось. Однако наличие
сверхсильных полей при комнатных
температурах побуждало между делом
снова подумать на эту тему. Если магнитная
вода действительно существует, думал
я, то эффект должен лучше проявляться
на 20 Тл, чем на типичныхполях менее 0,1
Тл, создаваемых стандартными магнитами.
С
такими мыслями, согласно легенде, в
пятницу вечером, я налил воду в институтский
электромагнит, когда тот был включён
на максимальную мощность. Наливать воду
в чей-либо прибор, очевидно, не есть
правильный научный подход, и я не помню,
почему я действовал тогда так
«непрофессионально». Очевидно
также, что до этого никто и не пытался
проделать такую глупую вещь, хотя похожее
оборудование десятилетиями имелось в
различных местах по всему миру. К моему
удивлению, вода не стекла на пол, а
зависла в середине зазора магнита.
Умберто Кармона (Humberto Carmona), приглашённый
из Ноттингема аспирант, и я игрались с
водой в течение часа, разбивая водяную
пробку деревянной палочкой и изменяя
напряжённость поля. В результате мы
увидели шарики парящей в воздухе воды
(рис. 1). Это было потрясающе! Сразу было
понятно, что физика здесь — старый
добрый диамагнетизм. Гораздо больше
времени ушло на осознание того факта,
что ничтожная магнитная восприимчивость
воды (~ Ю~5), в миллиарды раз меньшая, чем
у железа, оказалась достаточной для
компенсации земного притяжения. Многие
коллеги, включая тех, кто всю жизнь
работал с сильными магнитными полями,
были ошеломлены, а некоторые даже
настаивали на том, что это всего лишь
розыгрыш.

Рис.
1. Левитация в Неймегене. Слева — шарик
воды (примерно 5 см в диаметре) свободно
парит внутри вертикального отверстия
электромагнита. Справа — лягушка,
которую научили летать. Эта картинка
продолжает оставаться символом того,
что магнетизм «немагнитных веществ»
не есть пренебрежимо малая величина.
За этот эксперимент Майкл Берри (Michael
Berry) и я получили Шнобе-левскую премию
в 2000 г. Сначала нас спросили, отважимся
ли мы принять эту премию, и я горжусь,
что нам хватило чувства юмора и
самокритичности согласиться.
Несколько
последующих месяцев я демонстрировал
левитацию коллегам и гостям, пытаясь
«на пальцах» объяснять это красивое
явление. Фотография парящей в воздухе
лягушки (см. рис. 1) стала особенно
известной из всего множества объектов,
которые мы заставляли парить в магнитном
поле. Фото наделало много шума в СМИ,
но, что более важно, изображение
левитирующей лягушки нашло своё место
во множестве учебников. Несмотря на
свою «ненаучность», эта фотография
стала символом вездесущего диамагнетизма,
который больше не воспринимается как
пренебрежимо малое и незначительное
явление. Бывало так, что на конференциях
кто-нибудь останавливал меня и восклицал
«Я вас знаю! Извините, это не про
графен. Свои лекции я начинаю с демонстрации
вашей лягушки. Студентам всегда интересно
понять, что заставляет её летать».
История с лягушкой, вместе с довольно
тонкой физикой, объясняющей устойчивость
диамагнитной левитации, изложена в моём
обзоре в Physics Today [11].
6. Понедельник
начинается в пятницу вечером
История
с левитацией была интересной и
увлекательной. Она преподала мне важный
урок, что пробные эксперименты в
направлениях, далёких от сиюминутных
научных исследований, могут привести
к интересным результатам, даже если
изначальная идея была совсем незамысловатой.
В свою очередь, это повлияло на стиль
моей работы, так что я начал предпринимать
похожие исследовательские туры, которые
постепенно приобрели название
«эксперименты в пятницу вечером».
Термин, конечно, неточен. Серьёзную
работу выполнить за один вечер невозможно.
Как правило, она требует многих месяцев
основательного обдумывания и
перелопачивания гор не относящейся к
делу литературы, и всё без особого
прояснения проблемы. Со временем, скорее
интуитивно, чем осознанно, начинаешь
понимать, что надо делать. Потом пробуешь
и, как правило, ошибаешься. Затем либо
пробуешь снова, либо нет. В любом случае,
в какой-то момент надо решить (и это
самое трудное), продолжать ли дальнейшие
попытки, или, для уменьшения потерь,
начинать думать о другом эксперименте.
Всё это происходит параллельно с
основными исследованиями и занимает
только незначительную часть времени и
размышлений.
Ещё в Неймегене я начал
использовать побочные, не основные идеи
в качестве проектов для студентов и
аспирантов. Им всегда нравится получить
«кота в мешке». Костя Новосёлов,
который приехал в Неймеген как аспирант
в 1999 г., участвовал во многих таких
проектах. Они никогда не продолжались
более нескольких месяцев, чтобы не
подвергнуть риску диссертационную
работу или карьерный рост. Впоследствии
некоторые студенты признавались, что
тот опыт оказался для них бесценным,
хотя энтузиазм неизбежно иссякал, когда
ожидаемый результат не получался.
Самое
удивительное то, что далеко не все такие
проекты заканчивались неудачей. Один
из таких примеров — гекко-лента. Случайно
или нет, я прочёл статью, разъясняющую
механизм, лежащий в основе удивительной
способности ящериц-гекконов преодолевать
вертикальные препятствия [12]. Физика
довольно проста. Лапки гекконов покрыты
крошечными волосками. Каждый волосок
прилипает к поверхности, испытывая
небольшое ван-дер-ваальсово взаимодействие
порядка нескольких наноньютонов. Однако
миллиарды таких волосков, действуя
совместно, создают внушительное
притяжение, достаточное для удержания
гекконов на любой поверхности, даже на
зеркальном потолке. Особенно привлекли
моё внимание размеры волосков. Они
оказались субмикронными в диаметре —
типичный размер в мезоскопической
физике. Обыгрывая эту идею, примерно
через год мы с Сергеем Дубоносом нашли
способ изготовления материала, подобного
волосатой лапке геккона. Он изготовил
квадратный сантиметр ленты, которая
демонстрировала великолепную способность
прилипать к поверхности (адгезию) [13]. К
сожалению, этот материал не оказался
столь же эффективным, как лапка геккона,
и полностью терял свои свойства после
нескольких прилипаний. Тем не менее это
был знаковый эксперимент, доказавший
правильность концепции и стимулировавший
дальнейшую работу в этом направлении.
Вполне возможно, что кому-то как-нибудь
удастся найти способ воспроизвести
иерархическую структуру щетинок гекконов
и механизм их самоочищения. Тогда
гекко-лента сможет появиться в продаже.
7.
Новые ошибки лучше старого занудства
Готовясь
к своей лекции в Стокгольме, я составил
список наших пятничных экспериментов.
Тогда только я осознал любопытную вещь.
За период примерно в пятнадцать лет
проведено около двух дюжин экспериментов
и, как и ожидалось, большинство из них
бесславно провалилось. Но среди них
оказались три хита: левитация, гекко-лента
и графен. Таким образом, степень
эффективности получилась довольно
высокой: свыше 10 %. Более того, по-видимому,
имели место и близкие к удаче случаи —
почти что удачи. Например, как-то я прочёл
статью [14] о гигантском диамагнетизме
сплавов FeGeSeAs, что интерпретировалось
как признак наличия высокотемпературной
сверхпроводимости. Я попросил авторов
[14] прислать образцы и вскоре их получили.
Костя и я с помощью баллистической
холловской магнитометрии проверили
наличие гигантского диамагнетизма, но
ничего не обнаружили, даже при 1 К. Это
было в 2003 г., задолго до открытия
сверхпроводников на основе ферропниктидов.
Я до сих пор сомневаюсь, были ли там
какие-либо небольшие включения
сверхпроводящего материала, которые
мы упустили при нашем подходе. Другая
неудача, близкая к удаче, была связана
с попыткой обнаружить «сердцебиение»
отдельной живой клетки. Идея заключалась
в использовании ДЭГ — «холловских
крестов» — в качестве сверхчувствительных
электрометров для регистрации
электрических сигналов, порождаемых
физиологической активностью отдельных
клеток. Никаких «сердцебиений» у
живых клеток мы не обнаружили, но когда
клетки подвергались воздействию большой
дозы спирта, то на их «последнем
вздохе» наши сенсоры регистрировали
значительные всплески напряжения [15].
Сейчас я связываю такой результат с не
совсем удачным выбором объекта
исследования — дрожжевых клеток. Это
очень пассивный микроорганизм. Четыре
года спустя похожие эксперименты были
проделаны над эмбриональными клетками
сердца и (надо же!) с использованием
графеновых сенсоров. Эти эксперименты
[16] уже успешно зарегистрировали
биоэлектрическую активность, которую
искали мы.
Откровенно говоря, я не
думаю, что обозначенная выше степень
эффективности может быть объяснена
тем, что мои побочные идеи были особенно
хороши. Скорее всего, этот опыт говорит
о том, что штурм новых направлений в
исследованиях, пусть даже выбранных
случайным образом, вознаграждается
гораздо чаще, чем это принято считать.
Возможно, что мы копаем слишком глубоко
на уже хорошо освоенных территориях,
оставляя в других местах много интересного
прямо у поверхности, где для успеха
достаточно копнуть только один раз.
Если кто и осмелится это сделать, то
награда совсем не гарантирована. Тем
не менее это, как минимум, полезный
опыт.
8. Наука по-манчестерски
К
2000 г., имея за плечами мезоскопическую
сверхпроводимость, диамагнитную
левитацию и четыре статьи в Nature, я имел
основания претендовать на должность
полного профессора. Коллеги были очень
удивлены, что я выбрал университет в
Манчестере, проигнорировав ряд, на
первый взгляд, более привлекательных
предложений. Причина была проста.
Руководитель конкурсного комитета Майк
Мур (Mike Moore) знал мою жену Ирину не столько
как моего соавтора и, по совместительству,
преподавателя-лаборанта в Неймегене,
сколько как очень успешного постдока
в Бристоле. Он предложил Ирине идею
подать на лекторскую позицию, которая
открылась в той же группе. После шести
лет в Голландии даже сама мысль о том,
что муж и жена могли бы официально
работать вместе, не приходила мне в
голову. Этот фактор был решающим. Нам
не только понравилась возможность
упорядочить наши совместные карьерные
дела, но ещё мы были тронуты заботой о
нас со стороны будущих коллег. Никогда
мы не сожалели о переезде.
Так, в
начале 2001 г. я взял под свою ответственность
несколько запущенных помещений с ветхим
и бесполезным оборудованием и начал
работу с гранта на 100 тыс. фунтов
стерлингов. За исключением гелиевого
ожижителя, никакого существенно значимого
оборудования, которое я мог бы использовать,
не было. Не беда. Я пошёл тем же путём,
что и в Неймегене, используя помощь из
других мест, особенно от Сергея Дубоноса.
Лаборатория стала развиваться на
удивление быстро. В течение полугода я
получил свой первый грант на 500 тыс.
фунтов, что позволило обзавестись
значительным оборудованием. Несколькими
месяцами позже, несмотря на заботы о
нашей годовалой дочке, Ирина тоже
получила свой первый грант. Мы пригласили
Костю присоединиться к нашей группе в
качестве приглашённого исследователя
(формально он продолжал числиться
аспирантом в Неймегене, где и защитил
диссертацию в 2004 г.). И наша группа начала
выдавать результаты, приводившие к
грантам, которые, в свою очередь, приводили
к ещё большему количеству результатов.
К
2003 г. мы опубликовали несколько добротных
статей, в том числе в Nature, Nature Materials и
Phys. Rev. Letters, одновременно продолжая
усиливать лабораторию новым оборудованием.
Кроме того, при поддержке гранта на 1,4
млн фунтов от фонда развития научной
инфраструктуры, управляемого тогдашним
министром по науке Дэвидом Сейнсбери
(David Sainsbury), Эрни Хилл (Ernie Hill) из Департамента
компьютерных исследований и я организовали
Манчестерский центр мезо-науки и
нанотехнологий (Manchester Centre for Mesoscience and
Nanotechnology). Вместо того чтобы вливать
неожиданно свалившиеся средства в новое
строительство, мы использовали уже
существующие чистые комнаты (~ 250 м2). В
этих помещениях находилось устаревшее
оборудование, которое мы выбросили и
заменили самыми современными установками
для микроконструирования, включая новую
установку электроннолучевой литографии.
Предметом нашей с Эрни особой гордости
является то обстоятельство, что многие
исследовательские группы по всему миру
имеют гораздо более дорогостоящее
оборудование, но наш Центр непрерывно,
начиная с 2003 г. , выдаёт новые результаты.
Здесь нет великолепного коня для показов,
а есть рабочая лошадь для действительно
напряжённой работы.
Когда я рассказываю
заграничным коллегам об этом нашем
опыте, им трудно представить, что, в
принципе, возможно организовать полностью
функционирующую лабораторию и действующие
системы для микроконструирования за
период меньший, чем три года, и без
стартовых грантов астрономических
масштабов. Я бы и сам в это не поверил,
если бы не мой собственный опыт. Дела
продвигались невероятно быстро.
Университет помогал, но я особенно
благодарен фонду Британского научного
совета по инженерным и физическим
исследованиям (the UK Engineering and Physical Sciences
Research Council — EPSRC). Эта система финансирования
проектов демократична и лишена ксенофобии.
Статусу в академических кругах, так же
как и связям, не придаётся большого
значения. Кроме того, при рецензировании
проектов ссылки на «многообещающие
идеи» или заверения, что грант будет
ориентирован на «социальные и
экономические потребности», играют
незначительную роль. На деле, фонд
распределяет деньги на основе последних
достижений заявителя соответственно
тому, что под этим понимается в различных
областях науки. Деньги, как правило,
идут тем, кто работает усердно и
эффективно. Конечно, совершенной системы
финансирования не существует, и всегда
можно представить себе нечто лучшее.
Но, перефразируя Уинстона Черчилля,
Британия имеет худшую систему поддержки
науки, за исключением всех остальных
систем, которые я знаю.
9. Три мысленных
облачка
По мере формирования нашей
лаборатории и Центра нанотехнологий у
меня появилось немного свободного
времени поразмышлять о новых путях в
исследованиях. Гекко-лента, неудача с
дрожжевыми клетками, квази-пниктиды —
всё это происходило именно в то время.
Кроме того, Сергей Морозов — старший
научный сотрудник из Черноголовки,
который впоследствии стал регулярным
гостем и бесценным сотрудником, растратил
свои первые два визита на изучение
магнитной воды. Осенью 2002 г. прибыл наш
первый манчестерский аспирант, Да Цзян
(Da Jiang), и мне нужно было придумать для
него тему диссертации. Было ясно, что
первые несколько месяцев ему будет
необходимо изучать английский язык и
ознакомиться с лабораторией. Соответственно
для начала я предложил ему очередной
«побочный» эксперимент. Задача
состояла в том, чтобы изготовить плёнку
из графита настолько тонкую, насколько
это возможно. Если получится, то я обещал,
что мы будем изучать её «мезоскопические»
свойства. Недавно, пытаясь проанализировать,
как всплыла такая идея, я вспомнил о
трёх едва очерченных в мыслях
«облаках».
Первое «облачко»
— это концепция «металлической
электроники». Если к металлу приложить
внешнее электрическое поле, то число
носителей заряда у его поверхности
меняется, так что можно ожидать, что его
поверхностные свойства тоже изменятся.
На этом и работает современная
полупроводниковая электроника. Почему
бы не попробовать металл вместо кремния?
Будучи студентом, я думал о том, как
использовать эффект электрического
поля (ЭЭП) и рентгеноструктурный анализ
для воздействия на образец и определения
того, как изменится при этом постоянная
решётки. Это было весьма наивно, так как
простые оценки показывают, что эффект
был бы пренебрежимо малым. Действительно,
нет диэлектриков, допускающих поля,
существенно превышающие 1 В нм-1, что
соответствует максимальному изменению
концентрации носителей заряда п у
поверхности металла порядка 1014 на см2.
Для сравнения, типичный металл (например
Au) содержит ~ 1023 электронов на см3, что
даже для плёнки толщиной 1 нм приводит
к относительному изменению величины п
и проводимости на ~ 1 %, не говоря уже о
гораздо меньшем изменении постоянной
решётки.
Многие исследователи и
раньше стремились обнаружить эффекты
внешнего поля в металлах. Первое
упоминание относится к 1902 г., когда
вскоре после открытия электрона Дж.Дж.
Томсон (Нобелевский лауреат по физике,
1906 г.) предложил Чарльзу Мотту (Charles
Mott), отцу Невила Мотта (Nevill Mott, Нобелевский
лауреат по физике, 1977 г.), поискать ЭЭП
в тонкой металлической плёнке, но ничего
обнаружено не было [17]. Первая попытка
измерить ЭЭП в металлах, описанная в
научной литературе, относится к 1906 г.
[18]. Вместо нормального металла можно
было бы поразмышлять о полуметаллах,
таких как висмут, графит или сурьма,
которые имеют гораздо меньше носителей.
В течение всего предыдущего столетия
многие исследователи использовали
плёнки Bi (п ~ 1018 см-3), но обнаружили лишь
незначительные изменения в их проводимости
[19, 20]. Будучи осведомлённым об исследованиях
в этой области и в области гетероструктур
GaAlAs, я всё время, хотя и нерегулярно,
искал других кандидатов, особенно среди
сверхтонких плёнок сверхпроводников,
в которых эффект внешнего поля мог бы
возрасти вблизи перехода в сверхпроводящее
состояние [21, 22]. Мой энтузиазм разгорелся,
когда ещё в Неймегене я узнал о
нанометро-вых Al-плёнках, выращенных
методом молекулярно-лучевой эпитаксии
на GaAlAs-гетероструктурах. Однако после
оценок возможных эффектов я решил, что
шансы на успех малы и даже не стоит
пробовать.
Углеродные нанотрубки
были вторым «облачком», витавшим
в воздухе в конце 1990-х и начале 2000-х гг.
Это были годы пика их популярности. В
Голландии я слышал выступления Сиза
Деккера (Cees Dekker) и Лео Коувен-ховена (Leo
Kouwenhoven), а также прочёл статьи Томаса
Эббесена (Thomas Ebbesen), Пола МакЕуна (Paul
McEuen), Сумио Ижимы (Sumio Iijima), Фидона Авориса
(Pheadon Avouris) и других. Всякий раз эти
блестящие работы неизбежно побуждали
начать исследования в этой области. Но
было уже слишком поздно, и нужно было
находить новые перспективы в стороне
от общего потока.
Что касается
третьего облака, то я прочёл обзор Милли
Дрессельхаус (Millie Dresselhaus) об интеркали-рованном
графите [23], который ясно показал, что
даже спустя много десятилетий графит
остаётся малопонятным материалом,
особенно с точки зрения его электронных
свойств. Этот полезный обзор побудил
меня поглубже покопаться в литературе
по графиту. Так я наткнулся на статьи
Пабло Эсквинази (Pablo Esquinazi) и Якова
Копелевича (Yakov Kopelevich), которые писали
о ферромагнетизме, сверхпроводимости
и переходах металл — диэлектрик — всё
в том же старом добром графите и при
комнатных температурах [24, 25]. Эти
провоцирующие работы оставили во мне
чёткое ощущение того, что графит
заслуживает особого к себе внимания.
Все
три (может быть, и больше, я уже не помню)
облачка в моих мыслях так или иначе
сошлись в проекте Да Цзяна. Я просчитал,
что если нам повезёт и вместо Bi удастся
создать тонкие плёнки из графита, то в
них уже смогут проявиться эффекты
электрического поля и/или некоторые
другие интересные свойства, похожие на
те, что имеются у углеродных нанотрубок.
При наихудшем сценарии, поскольку наши
мезоскопические образцы представляли
бы собой монокристаллы, это помогло бы
прояснить дискуссионные вопросы,
касающиеся графита. Почему бы, хотя бы
на несколько месяцев, не углубиться в
этом направлении.
10. Легендарная
липкая лента
Для изготовления тонких
графитовых плёнок я дал Да Цзяну таблетку
пиролитического графита толщиной в
несколько миллиметров и диаметром два
с половиной сантиметра и предложил ему
использовать полировальную машину. У
нас была специальная машина, обеспечивающая
субмикронную точность. Через несколько
месяцев Да заявил, что достиг предельной
толщины и показал мне крошечный кусочек
графита на дне чашки Петри. Я взглянул
на графит в оптический микроскоп и
оценил его толщину в ~ 10 мкм. Слишком
толстый, подумал я, и предложил попробовать
полировальную жидкость. Однако, как
оказалось, для получения этого образца
Да уже отработал всю таблетку. На самом
деле это была моя вина. Позже Да успешно
завершил работу над своим PhD, но на тот
момент он был всего лишь начинающим
иностранным студентом с огромным
языковым барьером. Более того, по ошибке
я дал ему образец высокоплотного графита
вместо высокоориентированного
пиролитического графита (ВОПГ). Первый
не так-то просто шлифовался, как
ВОПГ.

Рис.
2. (В цвете онлайн.) Оборачиваясь назад:
тонкие плёнки графита получить нетрудно.
(а) Следы ВОПГ, оставшиеся на скотче. (б)
Некоторые кристаллики оптически
прозрачны, если взглянуть на них через
оптический микроскоп или даже через
увеличительное стекло. (в) На подложке
из оксида кремния светопроницаемые
кристаллики дают различные оттенки
голубого цвета. (г) Одно из наших самых
первых устройств, изготовленное с
помощью «сургуча и верёвки»: в
данном случае это пинцет, зубочистка и
серебряная паста.
Олег Шкляревский,
старший научный сотрудник из Харькова
(Украина), работал рядом и вынужденно
услышал весь ход моих поддразниваний,
на сей раз о горе, которую следует
шлифовать до размера песчинки. Олег
былэкспертом по сканирующейтуннельноймикроскопии
(СТМ) и работал над проектом, который
позже пополнил список моих не оправдавшихся
идей из «ночей по пятницам». Он
вмешался, принеся с собой кусок скотча
— самоклеящейся ленты с графитовыми
чешуйками, которую он только что выудил
из мусорной корзины. В самом деле, ВОПГ
— это стандартно используемый материал
для СТМ, где образец со свежей поверхностью
обычно готовится путём отслаивания
верхнего слоя графита с помощью липкой
ленты. Мы годами использовали эту
технику, но никогда внимательно не
смотрели на то, что же мы выбрасываем
вместе с лентой. Я посмотрел в микроскоп
на остатки графита (рис. 2) и обнаружил
фрагменты намного меньшей толщины, чем
та, что была у Да. Только тогда я осознал,
как это было неразумно с моей стороны
— предложить полировальную машину.
Полировка умерла, да здравствует
скотч!
Этот момент ещё не означал
прорыва, но ситуация уже выглядела
обещающей и требовала вовлечения
большего числа людей. Олег в тот момент
не вызвался стать добровольцем и
участвовать в ещё одном проекте, зато
вызвался Костя. Слово «доброволец»,
возможно, не совсем точное. Каждый в
нашей лаборатории имел возможности для
манёвра и мог участвовать в любом
проекте, который ему нравился. В то время
Костя работал над хорошо продвигающимся
проектом по ферромагнетизму [26]. Кроме
того, он присматривал за оборудованием,
особенно за измерительными приборами.
Что касается меня, то я, как правило, по
нескольку часов в день проводил в
лаборатории, готовя образцы, делая
измерения и анализируя результаты.
Только после 2006 г. я превратился в машину
по написанию статей, параллельно с
анализом результатов. Мне всегда
нравилось последнее, но я ненавидел
писать статьи. К сожалению, ни одна
лаборатория не выживет без своего
Шекспира.
Мы с Костей решили проверить
электрические свойства графитовых
чешуек, оставшихся на скотче, для чего
он стал переносить их на предметное
стекло микроскопа, вначале с помощью
обычного пинцета. Через несколько дней,
не забывая об изначальной идее
(металлический транзистор), я принёс
пластину кремния, покрытую тонким слоем
оксида, чтобы использовать её в качестве
подложки при измерении ЭЭП. Неожиданно
это принесло плоды. Тонкие фрагменты
(чешуйки) графита, помещённые на такие
пластины, выглядели окрашенными в разные
цвета вследствие интерференции, что
указывало на то, что некоторые фрагменты
оптически прозрачны. Более того, чешуйки
разных цветов позволяли нам интуитивно
судить о том, какие из них наиболее
тонкие (рис. 2в). Мы быстро обнаружили,
что некоторые из чешуек были толщиной
всего в несколько нанометров. Это был
наш первый настоящий прорыв.
11.
«Эврика!»
Литература по графену,
особенно популярная, сильно подчеркивает
роль методики, основанной на использовании
скотча. Часто приходится слышать, что
создание и идентификация сверхтонких
графитовых плёнок, так же как и графена,
стало возможным благодаря использованию
липкой ленты. Для меня это было значительным
шагом вперёд, но ещё не «Эврикой».
Нашей целью всегда был поиск интересной
физики, а не просто наблюдение ультратонких
плёнок в микроскопе.
В течение пары
дней после того, как Олег подсказал
использовать скотч, Костя с помощью
серебряной пасты уже изготовлял
электрические контакты к графитовым
плёнкам, перенесённым со скотча. К нашему
удивлению, они обладали высокой
проводимостью, а контакты на основе
пасты имели приемлемо малое сопротивление.
Электронные свойства изучать было уже
можно, но нам казалось, что ещё слишком
преждевременно помещать безобразно
выглядящий образец (рис. 2г) в криостат
для точных измерений. В качестве
следующего шага мы приложили напряжение,
сначала к стеклянным подложкам, а чуть
позже к кремниевой пластине, используя
их в качестве нижнего затвора для
проверки наличия эффекта внешнего
электрического поля. Фотография одного
из первых наших устройств показана на
рис. 2г. В центральной части находится
кристалл графита толщиной ~ 20 нм, а его
поперечный размер соизмерим с диаметром
человеческого волоса. Для того чтобы
пинцетом перенести такой кристалл со
скотча, а затем сделать четыре близко
расположенных контакта с помощью всего
лишь серебряной пасты и зубочистки,
требуется высочайший уровень
экспериментаторского мастерства. В
наше время немногие экспериментаторы
имеют пальцы достаточно ловкие для
того, чтобы изготовить такие образцы.
Я призываю читателей опровергнуть мои
слова, проверив свои собственные
навыки!
В самом первом образце,
сделанном вручную на стекле, ясно
проявился ЭЭП, который заключался в
том, что сопротивление образца можно
было изменять на несколько процентов.
Может показаться, что это незначительно,
а значит, и маловажно, но вспомните, как
трудно было ранее обнаружить вообще
какой-либо ЭЭП. Я просто был шокирован.
Если эти безобразного вида устройства,
сделанные вручную из относительно
больших и толстых пластинок, уже
демонстрируют некоторое влияние внешнего
поля, то что будет, думал я, если мы начнём
использовать самые тонкие кристаллы и
применим весь арсенал технологического
оборудования? В тот момент я понял, что
мы наткнулись на что-то действительно
потрясающее. Вот это и была моя
«Эврика!»
То, что поледовало
потом, не было уже случайным блужданием.
С этого момента единственно логичным
было продолжать держаться выбранного
пути, улучшая методику отделения и
поиска всё более тонких кристаллов, а
также совершенствуя изготавливаемые
нами конструкции. Это была кропотливая
и одновременно невероятно быстро
продвигающаяся работа — как посмотреть.
Несколько месяцев ушло на то, чтобы
научиться идентифицировать монослои
с помощью оптического и атомно-силового
микроскопов (АСМ). Что касается
микроструктурирования, то для формирования
подходящих структур с топологией
холловского мостика мы начали применять
электронно-лучевую литографию, а для
изготовления контактов использовать
не серебряную пасту, а напыление металла.
Развитием техники микроконструирования
(микроструктурирования) руководил
Дубонос, ему помогал его аспирант
Анатолий Фирсов. Сначала они использовали
оборудование в Черноголовке, но после
того как наш новый постдок Юань Чжан
(Yuan Zhang) полностью освоила установку по
литографии, недавно появившуюся в нашем
Центре нанотехнологий, процесс существенно
ускорился.
Переход от многослойных
образцов к монослойным, а также переход
от работы вручную к литографии
концептуально весьма прост, но на
практике не всегда гладок. Мы пробовали
различные подходы и потратили много
усилий на идеи, приводившие нас в тупик.
Примером многообещающих планов, которым
не суждено было реализоваться, была
идея плазменного травления графитовой
мезы в форме холловских мостиков, после
расслоения которых можно было бы получить
готовые структуры. Позже мы вынуждены
были вернуться к графиту, не подвергавшемуся
предварительной обработке. Болезни
роста, которые мы тогда испытывали,
можно проиллюстрировать также на таком
примере. Вначале мы думали, что кремниевые
пластины должны иметь очень точно
выверенную толщину оксидного слоя (в
пределах нескольких нанометров), что
позволило бы «поохотиться» за
монослоями. Сегодня мы можем найти
графен практически на любой подложке.
Кроме того, путём перебора различных
процедур и использования различных
источников графита мы пришли к тому,
что размеры используемых нами кристаллов
выросли от нескольких микрометров до
почти миллиметра.
Наиболее существенной
частью нашей работы 2004 г. [27] были
электрические измерения, и это потребовало
больших усилий. В течение нескольких
месяцев Костя и Сергей Морозов всё своё
время проводили в измерениях. Я тоже
находился рядом, обсуждая и анализируя
результаты измерений, зачастую сразу
после того, как данные появлялись на
экране. Взаимодействие с
ребятами-нано-технологами было практически
мгновенным. В тех первых экспериментах
нам нужно было быть особенно осторожными.
Так всегда бывает, когда сталкиваешься
с чем-то новым и не знаешь, чего можно
ожидать. Мы забраковывали любую кривую,
пока она не воспроизводилась независимо
на множестве образцов, и во избежание
преждевременных заключений, изучили
более 50 сверхтонких образцов. Это были
годы упорного труда, спрессованные
всего в несколько месяцев, но мы
воодушевлялись по мере того, как новые
образцы становились всё совершеннее и
совершеннее, так что мы могли работать
24 х 7, что на деле означало 14 часов в сутки
без перерывов и выходных.
В итоге,
к концу 2003 г. мы получили вполне надёжную
экспериментальную картину, готовую к
публикации. Между этим моментом и
сентябрём 2004 г., когда наша статья в
Science была, наконец, принята к публикации,
получился длинный временной разрыв. Те
девять месяцев прошли в изнурительных
попытках опубликовать наши результаты
в высокорейтинговом журнале. Содержание
работы непрерывно пополнялось новыми
результатами, и совершенствовался текст
рукописи. В этом трудоёмком процессе
помощь Ирины была бесценна. В полной
мере всё это могут оценить только те
читатели, которые когда-либо публиковались
в подобных «глянцевых» журналах.
Сначала мы отправили рукопись в Nature.
Там её забраковали. Мы добавили информацию,
которую требовали рецензенты, но статью
снова забраковали. Согласно одной из
рецензий, наша рукопись «не содержит
существенного научного достижения».
Рецензенты Science оказались более
великодушными (или более профессиональными?),
кроме того, сама рукопись была к тому
времени лучше подготовлена. Если
вернуться назад, то мне, даже при том,
что все мы чувствовали, что результаты
работы являются весьма значимыми,
наверное, следовало бы поберечь время
и нервы и представить статью в журнал
уровнем пониже. Эта история должна
утешить тех читателей, которые стремились
опубликоваться в подобных «глянцевых»
журналах, но чьи статьи были забракованы:
возможно, что эти статьи также заслуживают
премии!
12. Существование вопреки
Самый
удивительный экспериментальный результат
нашей работы в Science — это то, что отдельные
атомные плоскости обладают проводимостью
и сохраняют свою целостность в свободном
состоянии. Оборачиваясь назад, можно
сказать, что есть много причин этому
удивляться.
Во-первых, учёные
десятилетиями изучали сверхтонкие
плёнки, и их общим заключением являлось
то, что непрерывные атомные плоскости
практически невозможно получить (см.,
например, [28, 29]). Попробуйте напылить
металлическую плёнку толщиной в несколько
нанометров, и вы увидите, что она не
будет оставаться цельной. Вещество
коагулирует в крошечные островки. Этот
процесс, называемый островковым ростом,
универсален и управляется стремлением
системы минимизировать свою поверхностную
энергию. Эпитаксиальные подложки
обеспечивают взаимодействие, снижающее
влияние поверхностной энергии. Однако
даже при гелиевых температурах,
предотвращающих миграцию осаждённых
атомов, трудно создать условия,
благоприятные для получения непрерывных
слоёв нанометровой толщины, не говоря
уже о монослоях [28, 29].
Вторая причина
удивляться — это то, что теория определённо
учит нас, что изолированный графеновый
лист должен быть нестабилен термодинамически.
Расчёты показывают, что «в пределах
6000 атомов графен представляет собой
наименее (относительно) стабильную
(углеродную) структуру» [30]. До ~ 24000
атомов (это соответствует размеру в ~
25 нм) различные 3D конфигурации энергетически
более выгодны, чем 2D геометрия [30, 31].
Теория опять-таки показывает, что при
больших размерах графеновый лист
нестабилен, но теперь уже по отношению
к свёртыванию. К такому заключению
приводит рассмотрение конкурирующих
вкладов изгиба и поверхностной энергии
[32, 33]. Эти расчёты относились к углероду,
но в основе их лежит физика, которая
концептуально связана с механизмом
поверхностной энергии, приводящим к
островковому росту.
В третьих, 2D
кристаллы не могут быть выращены в
изоляции, без эпитаксиальной подложки,
которая обеспечивает дополнительную
атомную связь. Это следует из аргументов
Ландау-Пайерлса, которые показывают,
что в 3D пространстве плотность
термодинамических флуктуаций в 2D
кристаллах расходится с ростом температуры
[1]. Хотя эта расходимость всего лишь
логарифмическая, рост кристалла, как
правило, требует высокой температуры,
достаточной для обеспечения подвижности
атомов. Это приводит к несколько менее
жёсткой решётке. Комбинация двух условий
даёт ограничения на возможные размеры
L у 2D атомных кристаллов. Можно оценить
величину L как ~ а exp (E/Tg), где а ~ 1 А —
постоянная решётки, E ~ 1 эВ — энергия
связи атомов, Tg — температура роста
кристалла. Эти рассуждения неприменимы
к графену при комнатных температурах,
для которого получились бы астрономические
размеры. Величина Tg обычно соизмерима
с энергией связи, что приводит к появлению
механизма разупорядочения, не существенного
при гораздо более низких температурах.
Заметим, что, в принципе, взаимообъединение
(самоупорядочение) атомов может допустить
рост графена и при комнатной температуре,
но пока что это было достигнуто только
для нанометровых графеновых образцов
[34].
Четвёртый, по-видимому, самый
главный повод для удивления — это то,
что графен остаётся устойчивым к внешним
условиям. Поверхности материалов
вступают в реакцию с воздухом и влагой,
а монослой графена — это не одна, а две
поверхности, что делает его более
активным. Физика поверхности требует
высокого вакуума и, зачастую, температур
жидкого гелия для обеспечения стабильности
поверхности и предохранения её от
нежелательных реакций. Например, золото
— один из самых инертных материалов в
природе, но даже для его приповерхностных
слоёв трудно избежать частичного
окисления на воздухе. Каковы же тогда
шансы у монослоя остаться не подвергнутым
влиянию внешней среды?
Графен
насмехается над всеми этими рассуждениями.
Полезно понять почему. Во-первых, любой
существующий метод получения графена
использует 3D кристалл, а не 2D рост.
Графеновые листы изначально формируются
либо в объёме, либо в верхнем слое
эпитаксиальной подложки, что гасит
расходящиеся тепловые флуктуации.
Взаимодействие всегда существует, хотя,
как в случае графена, растущего на
графите [35], может быть относительно
слабым. Это позволяет графену уклониться
от аргументов Ландау-Пайерлса, а также
избежать сворачивания в островки и 3D
структуры. Во-вторых, если графен
откалывается или выделяется с подложки,
то процесс происходит обычно при
комнатных температурах, так что
энергетический барьер остаётся достаточно
высоким. Это позволяет атомным плоскостям
сохраняться в изолированном виде и не
сворачиваться без всякой подложки [36],
даже если энергетически это невыгодно.
Кроме того, взаимодействие Ван-дер-Ваальса
может оказаться достаточным для
предотвращения скручивания графенового
листа, когда графен оказывается на
подложке. В-третьих, химически графит
даже более инертен, чем золото. Будучи
химически более активным, чем графит,
графен, хоть и слабо, но взаимодействует
с воздухом и примесями при комнатной
температуре. Однако это не разрушает
его кристаллическую решётку и он остаётся
высокопроводящим [37, 38]. Для необратимого
разрушения графена на воздухе требуются
температуры, в два раза превышающие
комнатную. Условия нашей среды оказались
вполне подходящими для сохранности
графеновой решётки.
13. Реквием
блестящим идеям
Научная литература
полна блестящих идей, которые, однако,
не работают. Выискивать их в литературе
в целом неразумно. Перед началом работы
над новым проектом обычно достаточно
пары подходящих обзоров для того, чтобы
заново не изобретать колесо. Альтернатива
может действительно принести вред. Я
встречал много перспективных
исследователей, которые не смогли
многого достичь в науке потому, что они
растратили своё время, копаясь в
литературе, вместо того чтобы тратить
его на поиск новых явлений. Более того,
после месяцев изучения литературы они
неизбежно приходят к одному и тому же
выводу: всё, что они планировали, уже
сделано. Поэтому они не видят причин
опробовать свои собственные идеи, а
значит, заново начинают копаться в
литературе. Следует понимать, что идеи
никогда не бывают новыми. Будучи даже
блестящей, каждая идея всегда основана
на предыдущем знании и, при множестве
сообразительных людей вокруг, положение
вещей таково, что кто-либо где-либо
раньше уже думал над чем-то похожим. Это
не должно оправдывать бездействия,
поскольку обстоятельства на местах
меняются, и, более того, вместе с ними
меняются и возможности. Новые технологии
дают реальный шанс тому, что старые не
оправдавшиеся идеи вполне могут на
удивление хорошо реализоваться в
следующий раз.
Все три мысленных
облака, о которых говорилось выше и
которые я не назвал бы блестящими идеями,
послужили достаточным основанием, чтобы
в 2002 -2003 гг. начать новый проект. Они
стали для нас той нитью Ариадны, которая
помогла в выборе определённых направлений
исследований. Анализ литературы
проводился, когда для этого пришло время
— после того как мы грубо ознакомились
с новой областью и особенно, когда
результаты уже готовились к публикации.
Вдобавок к литературе, относящейся к
тем облакам, наша статья в Science цитирует
попытки получения изолированных 2D
кристаллов, их термодинамическую
нестабильность, обнаружение наноспиралей,
а также статьи по эпитаксиальному росту.
Эти ссылки важны для того, чтобы показать,
какого экспериментального прогресса
мы достигли. Первый обзор ранних работ
был сделан в нашей статье 2007 г. [1]. С тех
пор я обновляю презентации моих
выступлений на конференциях, как только
узнаю о важной в историческом плане
статье. Лучшая возможность дополнить
историческую часть — это добавить
несколько новых ссылок. Более того, моё
недавнее обращение к историческому
контексту [39] выявило имена нескольких
исследователей и, для полноты картины,
я хочу отдать должное как их ранним
идеям, так и их вкладу в науку.
14.
Воплощения графена
Возвращаясь
назад в историю графена, надо бы,
по-видимому, начать с опытов британского
химика Бенджамина Броди (Benjamin Brodie) [40].
В 1859 г., подвергая графит действию сильных
кислот, он получил то, что он назвал
«углеродной кислотой» (рис. 3а).
Броди верил, что он открыл «графон»,
новую форму углерода с молекулярным
весом 33. Сегодня мы знаем, что он наблюдал
суспензию крошечных кристалликов
оксидов графена, т.е. графеновые листы,
плотно покрытые молекулами гидроксильной
и эпоксидной групп [41]. В течение следующего
столетия было всего несколько работ,
описывающих слоистую структуру оксида
графита, но следующим ключевым шагом в
истории графена было доказательство
того, что эта «углеродная кислота»
состоит из плавающих атомных плоскостей.
В 1948 г. Дж. Руесс (G. Ruess) и Ф. Фогт (F. Vogt)
применили просвечивающую электронную
микроскопию (ПЭМ) и, после испарения
капельки суспензии оксида графена на
сетке ПЭМ, они обнаружили чешуйки с
множеством складок толщиной в несколько
нанометров [42]. Эти исследования продолжила
группа Ульриха Хофмана (Ulrich Hofmann). В 1962
г. он и Ханс-Питер Бём (Hanns-Peter Boehm) занимались
поиском фрагментов восстановленного
оксида графита, настолько тонких,
насколько это возможно, и определили,
что некоторые из них являются монослойными
[43] (рис. 3б).
До 2009 -2010 гг. это
примечательное наблюдение не привлекало
особого внимания. Я должен заметить,
что результаты 1962 г. основывались на
относительном ПЭМ-контрасте — подход,
как мы теперь понимаем, неприменимый,
так как контраст сильно зависит от
условий фокусировки [44]. Как и можно было
ожидать, Рахулу Наиру (Rahul Nair) и мне не
удалось отличить монослои от несколько
более толстых фрагментов с помощью
только ПЭМ-контраста. Графеновые монослои
были однозначно идентифицированы с
помощью ПЭМ только спустя сорок лет
после работы 1962 г. по количеству
контрастных линий на сгибах [45 -47]. Тем
не менее работа Бёма -Хофмана, на мой
взгляд, должна рассматриваться как
первое наблюдение графена, так как
монослои должны были присутствовать в
осадке, а сама идея была правильной.
Более того, именно Бём и его коллеги
ввели термин «графен» в 1986 г., выведя
его как комбинацию слова «графит»
с суффиксом, указывающим на полициклические
ароматические углеводороды [48].
Помимо
ПЭМ, ещё одно важное направление в
исследовании графена в период до 2004 г.
— это его эпитакси-альный рост. Сверхтонкие
графитовые плёнки и иногда даже монослои
выращивались на металлических подложках
[49-53], на непроводящих карбидах [54-57] и на
графите [35] (рис. 3г). Первые известные
мне статьи восходят к 1970 г., когда Джон
Грант (John Grant) сообщил о графитовых
плёнках на Ru и Rh [49], а Блэкли (Blakely) и др.
— на Ni [50]. Эпитаксиальный рост на
непроводящих подложках впервые
продемонстрировали Ван Боммель (van
Bommel) и др. в 1975 г. [54], тогда как Чухей Ошима
(Chuhei Oshima) нашёл и другие карбиды,
обеспечивающие рост графена (например
TiC) [55]. Обычно выращенные плёнки
анализировались методами физики
поверхности, которые, как правило,
включают в себя усреднение по значительной
площади и мало говорят о гладкости
плёнок и их качестве. Время от времени
использовался СТМ для визуализации и
локального анализа.

Рис.
3. (В цвете онлайн.) Предыстория графена.
(a) Графен, по-видимому, наблюдал Броди
150 лет назад. Оксид графита на дне ёмкости
рассматривается в воде, образуя жёлтую
суспензию плавающих графеновых хлопьев.
(б) ПЭМ-изображение сверхтонких графитовых
хлопьев начала 1960-х гг. (печатается с
разрешения авторов [43]). (в) Изображение
тонких графитовых пластиночек в
сканирующем электронном микроскопе
(СЭМ), полученных путём отслоения (похожие
изображения представлены в [60]). (г) СТМ
графена, выращенного на Pt (печатается
с разрешения авторов [53]). Размер
изображения 100 х 100 нм. Гексагональная
сверхструктура имеет период ~ 22 А и
возникает вследствие взаимодействия
графе-на с металлической подложкой.
Более
ранние попытки получить сверхтонкие
плёнки графита путём микромеханического
расслоения выглядят даже более значимо.
Это уже похоже на то, что делали мы в
2003 г. В 1990 г. группа Генриха Курца (Heinrich
Kurz) сообщила об «отслаивании оптически
тонких слоёв прозрачной лентой»
(читай, скотчем), которые потом
использовались для изучения динамики
носителей в графите [58]. В 1995 г. Томас
Эббесен (Thomas Ebbesen) и Хидефуми Хиура
(Hidefumi Hiura) визуализировали «оригами»
толщиной в несколько нанометров с
помощью атомно-силового микроскопа на
поверхности ВОПГ [59]. Род Руофф (Rod Ruoff)
также сфотографировал тонкие графитовые
пластиночки в СЭМ [60] (рис. 3в). В 2003 г. о
монослоях сообщил Ян Гань (Yang Gan), который
использовал СТМ для их отслоения с
поверхности ВОПГ [61].
Наконец,
изучались и электрические свойства
тонких графитовых плёнок. Между 1997 и
2000 гг. Йошико Охаши (Yoshiko Ohashi) преуспел
в отслаивании кристаллов вплоть до
толщин в ~ 20 нм, изучил их электрические
свойства, включая осцилляции Шубникова-де
Гааза, и, что примечательно, обнаружил
эффект электрического поля — изменение
электрического сопротивления составляло
до 8 % [62, 63]. Группе Эббесена также удалось
вырастить графитовые диски микронных
размеров с толщиной в 60 атомных слоёв
и измерить их электрические свойства
[64].
Что касается теории, то я дам
только короткий комментарий (более
подробно см. [1, 65]). Теоретически графен
(монослой графита) исследуется примерно
с 1947 г., когда Фил Уоллас (Phil Wallace) впервые
рассчитал его зонную структуру в качестве
отправной точки для понимания электронных
свойств объёмного графита [66]. Гордон
Семенофф (Gordon Semenoff) и Дункан Халдейн
(Duncan Haldane) нашли, что графен является
замечательным твердотельным аналогом
(2 + 1)-мерной квантовой электродинамики
(КЭД) [67, 68], и с тех пор графен приобрёл
статус забавной модели для анализа
различных вопросов в КЭД (см., например,
[69, 70]). Многие теории вполне подходили
для экспериментальной проверки задолго
до 2004 г., когда были изучены электронные
свойства углеродных нанотрубок (свернутых
в цилиндр листов графена). Большая и
важная теоретическая работа по графену
была проделана Тсунея Эндо (Tsuneya Ando) и
Милли Дрессельхаус (Millie Dressel-haus) с
соавторами [71 -73].
Для полноты истории
графена надо отдать должное некоторым
ранним идеям. Томас Эббесен (Thomas Ebbesen) и
Хидефуми Хиура (Hidefumi Hiura) предвосхитили
возможность создания наноэлектроники,
основанной на графене в 1995 г. (в качестве
примера они сослались на эпитаксиальный
рост графена на TiC) [59]. В патентной
литературе рассуждения о «полевых
транзисторах на основе пиролитического
графита» возвращают нас в 1970 г. [74].
Кроме того, как меня проинформировали
Род Руоф (Rod Ruoff) и Реджинальд Литтл
(Reginald Little), в их статьях, вышедших до 2004
г., обсуждалась возможность и отмечалось
намерение получить изолированные
монослои [60, 75]. Наконец, слоистая структура
графита была известна с первых дней
появления рентгеновской кристаллографии,
так что исследователи уже довольно
давно точно знали, что графит есть колода
из слабосвязанных графеновых плоскостей.
Это свойство широко используется для
создания интеркалированных графитовых
соединений [23] и, конечно, для привычного
рисования. И последнее. Сейчас мы знаем,
что изолированные монослои можно
обнаружить в любом росчерке карандаша,
если внимательно искать их через
оптический микроскоп [2]. Без преувеличения
можно сказать, что на протяжении многих
веков графен был перед нашими глазами
и перед нашим носом, но никто не знал,
что же это такое на самом деле.
15.
Шахут|тт1 Графен
Читатель может
счесть, что мой обзор идей и истории
публикаций неполон. Я, насколько смог,
постарался не пропустить ничего из
результатов до 2004 г. , особенно
экспериментальных. Все упомянутые
исследования были ориентированы в
правильном направлении, но не вызвали
той степени удивления, которая была бы
достаточна для того, чтобы возбудить
«золотую графе-новую лихорадку».
Возможно, это потому, что все
предыдущие
эксперименты имели одну общую черту —
они носили характер наблюдений.
Идентифицировались сверхтонкие
графитовые плёнки, а иногда даже и
монослои без каких-либо указаний на
замечательные свойства графена.
Цитированные выше немногочисленные
эксперименты по измерению электрических
и оптических свойств тонких плёнок
графита не могут отразить той физики,
с которой графен вышел на арену после
2004 г.
Наша статья в Science ясно обозначила
переломный момент. Разумеется, в статье
говорится об изолированных кристаллах
графена, достаточно крупных для того,
чтобы на них возможны были всякого рода
измерения, помимо просто наблюдений в
электронном или сканирующем микроскопе.
Описанный метод выделения и идентификации
графена настолько очевиден и доступен,
что, возможно, даже школьник сможет это
сделать. Это, конечно, важная часть дела,
но если бы мы ограничились только
наблюдениями, то наша работа просто
добавила бы кое-что к предыдущим
сведениям, имевшимся в литературе и, я
думаю, ушла бы в забвение. Не наблюдения
и не выделение графена, а его электронные
свойства — вот что заставляет
исследователей удивляться. Из наших
измерений получены новости значительно
более значимые, чем возможность применения
скотча, что побудило многих исследователей
присоединиться к «графеновой
лихорадке».
В работе 2004 г. мы
впервые сообщили об амбипо-лярном
эффекте электрического поля, при котором
сопротивление меняется в ~ 100 раз. Это в
тысячи раз больше, чем изменения в те
несколько процентов, которые наблюдались
ранее для любой металлической системы,
что указывает на качественные различия.
Чтобы оценить, насколько этот результат
необычен, представьте себе нанометровую
плёнку золота. Безразлично, что вы
сделаете с этой плёнкой, но с точки
зрения физики она останется нормальным
металлом с соответствующими свойствами.
Напротив, свойства графена можно изменить
простым изменением напряжения на
затворе. Графен можно перестраивать из
состояния, близкого к нормальному
металлу с концентрацией электронов ~
1021 см-3, до металла с такой же концентрацией
дырок, т.е. можно проделать весь путь,
минуя «полупроводниковое» состояние
с невысокой концентрацией носителей
заряда.
Ещё более примечательно то,
что наши графеновые образцы
продемонстрировали изумительное
электронное качество. Графен был
совершенно не защищён от внешней среды,
поскольку он был помещён на грубую (в
микроскопическом смысле) подложку и с
обеих сторон покрыт адсорбатами и
полимерным осадком. Тем не менее электроны
могли проходить субмикронные расстояния
без рассеяния, «насмехаясь» над
всем, что снаружи. Уникальность электронных
свойств графена противоречит интуиции.
Это также противоречит общепринятой
точке зрения, что физика поверхности
требует сверхвысокого вакуума и что
даже при его наличии качество тонких
плёнок непрерывно ухудшается по мере
уменьшения их толщины. Оборачиваясь
назад, можно сказать, что даже сейчас
уникальность электронных свойств
графена выглядит таинственно и фактически
до сих пор в полной мере не раскрыта.
В
физике полупроводников качество
электронных свойств определяется
подвижностью носителей заряда [i. В нашей
статье в Science для графена при комнатной
температуре приводится значение /х «
10000 см2 В-1 с-1 (по данным на 2010 г., значения
/х могут быть в 10 и 100 раз выше при комнатной
и криогенных температурах соответственно
[76, 77]). Для неподготовленного читателя
10000 может звучать просто как ещё одно
число. Для пояснения его значимости
представьте себе, что в 2004 г. мы
изготавливали образцы из, например,
восстановленного оксида графена, для
которого, вследствие необратимо
повреждённой кристаллической решётки
этого материала, /х ~ 1 см2 В-1 с-1 [78]. В нашей
второй статье [79] мы сообщаем о 2D
дихалькогенидах со столь же низкими
[i. С тех пор интереса к ним мало. Выявленный
нами баллистический транспорт на
субмикронные расстояния был достаточен
для того, чтобы разжечь интерес к графену,
и сделал возможным наблюдение многих
квантовых эффектов, отмеченных как в
2004 г. , так и позже. Всё это было бы
невозможным, если бы графен обладал
подвижностью /х ниже примерно 1000 см2 В-1
с-1.
Если бы не высокое качество
структуры графена и его управляемость,
то не было бы и новой физики, а следовательно,
и графенового бума. В этом отношении
история графена имеет что-то общее с
историей изучения обращения планет
вокруг Солнца. Древние греки наблюдали
за ними и называли их скитающимися
звёздами — пХя.щхп<;. После того как
была открыта физика этих скитаний, люди
начали воспринимать планеты совсем
по-другому, чем пХя.щхп<;. Точно так же
за последние шесть лет люди открыли,
что такое графен на самом деле, и это
полностью поменяло предыдущее восприятие.
Наша работа в Science дала лишь некоторое
первое представление о графене в его
новом воплощении как о высококачественной
2D электронной системе.
16. Магия
плоского углерода
Каково оно, это
новое воплощение? Для меня 2004 г. был
только точкой отсчёта, когда была только
приподнята завеса с уникальных свойств
графена. С тех пор мы обнаружили, что
носители заряда в графене представляют
собой безмассовые фермионы, описываемые
не стандартным уравнением Шрёдингера,
а уравнением типа уравнения Дирака
[80]. В двухслойном графене электроны
приобретают новый «наряд», становясь
теперь массивными дираковскими фермионами
[81]. Эти свойства раскрылись при обнаружении
двух новых типов целочисленного
квантового эффекта Холла, соответствующих
двум типам дираковских фермионов [1,
65]. Мы также нашли, что графен остаётся
металлическим в пределе отсутствия
носителей заряда, даже тогда, когда в
устройстве микронных размеров остаётся
всего лишь несколько электронов [1, 77].
Наши эксперименты показали, что графен
демонстрирует универсальную оптическую
проводимость, равную яе2/2/г, так что его
оптическая прозрачность в точности
равна яа, где а — постоянная тонкой
структуры [82]. Нами предложено использовать
графеновые устройства для регистрации
туннелирования Клейна [83] — эффекта,
известного в квантовой электродинамике
на протяжении многих десятилетий, но
считавшегося ненаблюдаемым. Позже
несколько групп продемонстрировали
эффект экспериментально. Нам повезло,
что мы оказались немного быстрее других
в установлении того факта, что двухслойный
графен есть полупроводник с управляемой
запрещённой зоной [84] и что из графена
можно точно вырезать нанометровые
устройства [85]. Нами изготовлены самые
чувствительные на сегодня сенсоры,
способные детектировать отдельные
молекулы [38]. Мы установили, что деформации
в графене создают псевдомагнитные поля,
изменяющие его электронные свойства
[86], а позже рассмотрели возможность
создания однородных псевдомагнитных
полей и наблюдения квантового эффекта
Холла без внешнего магнитного поля
[87]. Через полгода сообщалось уже о
псевдомагнитных полях, превышающих 400
Тл. Нам первым удалось сделать шаг в
области химии графена путём
экспериментального получения графана
и стехиометрического фторграфена [88,
89]. Всё это не исчерпывает список
удивительных явлений, которые я и мои
коллеги нашли в графене, как, конечно,
и многие другие исследователи, раскрыв
его красивые черты, возвысившие графен
до его сегодняшнего статуса — статуса
объекта, от которого исходит магия.
17.
Ода одному
Прочитав об удивительных
свойствах графена, читатель может
подумать: а почему множество атомных
слоёв, уложенных друг на друга, как в
графите, не обнаруживает подобных
качеств? Безусловно, любая производная
графита имеет нечто общее со своим
родителем, но в случае графена различия
между родителем и потомками фундаментальны.
Чтобы понять это, упростим задачу и
сравним графен с двойным его слоем. Уже
здесь проявятся кардинальные
отличия.
Первое. Графен демонстрирует
рекордную жёсткость и механическую
прочность [90]. Что касается двух его
слоёв, то это качество размывается
вследствие того что они могут скользить
друг относительно друга. Это приводит
к принципиальному отличию, если, например,
графен или более толстые пластиночки
используются в композитных
материалах.
Второе. Химия графена
различна в зависимости от того,
задействованы одна или две поверхности
монослоя. Например, атомарный водород
не может соединяться с графеном только
с одной стороны, но образует стехиометрическое
соединение (графан), если задействованы
обе поверхности. Это делает графен
гораздо более химически активным, чем
его бислой.
Третье. Электрическое
поле в графите экранируется на длинах
порядка расстояния между слоями, т.е.
экранирование проявляется уже на уровне
двух слоёв. В многослойном графене
электрическое поле может охватить не
более двух приповерхностных атомных
плоскостей, оставляя без своего влияния
остальной объём. Это делает наивными
попытки использования многослойных
графитовых материалов в активной
электронике.
Четвёртое. Носители
заряда в монослое представляют собой
безмассовые дираковские фермионы, тогда
как в графеновом двойном слое они уже
обладают массой. Это приводит к
существенным отличиям во множестве
электронных свойств, включая осцилляции
Шубни-кова -де-Гааза, квантовый эффект
Холла, туннелирова-ние Клейна и т.д.
Известная апория (Sorites paradox) спрашивает
о том моменте, когда куча песка уже
перестаёт быть кучей по мере того как
из неё извлекаются отдельные песчинки.
Для графена даже бислой настолько
отличается от монослоя, что два — это
уже куча.

18.
Коллегам и друзьям
Наша работа в
Science — коллективный труд, и я бы снова
хотел, как от Кости, так и от себя,
поблагодарить всех остальных участников.
Сергей Морозов был и остаётся нашей
«многофунциональной измерительной
машиной», работающей 24 х 7 часов в
неделю, когда он находится в Манчестере.
Его навыки по измерению электрических
свойств несравненны, и я знаю, что любая
полученная им кривая совершенно надёжна,
и никогда не возникает вопросов, было
ли то или это проверено и перепроверено.
Да Цзян (Da Jiang) был с самого начала, и
жаль, что я вынужден был отдалить его
от проекта, так как это выходило за
пределы возможностей одного молодого
аспиранта. Сергей Дубонос и Юань Чжан
(Yuan Zhang) изготовили все устройства, без
которых наша работа была бы невозможной.
Я очень сожалею, что наши жизненные пути
потом разошлись и, особенно, что Сергей
переключился с нанотехнологий на
разведение коз. Также хочу отметить
Анатолия Фирсова за помощь при изготовлении
всё тех же устройств. Ирина Григорьева
помогала со сканирующей электронной
микроскопией и, что более важно, в
написании статьи 2004 г.
Окончание
этого этапа в моей жизни было только
началом дальнейшей упорной работы, в
которую было вовлечено много коллег.
Наш быстрый прогресс был бы невозможен
без Миши Кацнельсона, который обеспечил
нам такую теоретическую поддержку, о
которой экспериментаторы могут только
мечтать. С 2006 г. мне посчастливилось
сотрудничать с другими отличными
теоретиками, включая Антонио Кастро
Нето (Antonio Castro Neto), Пако Гинеа (Paco Guinea),
Нуно Переса (Nuno Peres), Володю Фалько
(Volodya Fal’ko), Леонида Левитова (Leonid Levitov),
Аллана Макдональда (Allan MacDonald), Диму
Абанина (Dima Abanin), Тима Уилинга (Tim Wehling) и
их коллег. В частности, я хочу с
благодарностью отметить множество
проясняющих дело дискуссий и дружеских
подшучиваний за совместными обедами с
Антонио и Пако. Что касается
экспериментаторов, то список будет
длиннее и включает в себя Филиппа Кима
(Philip Kim), Эрни Хилла (Ernie Hill), Андреа Феррари
(Andrea Ferrari), Еву Андрей (Eva Andrei), Алексея
Кузьменко (Alexey Kuzmenko), Учи Бангерта (Uschi
Bangert), Сашу Григоренко (Sasha Gri-gorenko), Ули
Зейтлер (Uli Zeitler), Джанника Мейер (Jannik
Meyer), Марека Потемски (Marek Potemskii) и многих
других.
Особого упоминания заслуживает
Филипп. В августе 2004 г., до того как
появилась наша статья в Science, его группа
отослала для публикации другую важную
работу [91]. Там изучались электронные
свойства сверхтонких графитовых
пластиночек (до ~ 35 атомных слоёв). За
исключением толщины образца, группа
Филиппа следовала той же методологии,
которая использовалась в нашей работе.
О том, насколько близок он был к нашим
работам, можно судить по такому факту,
что после того как они стали использовать
технику, основанную на скотче, Филипп
уже в начале 2005 г. начал изучать монослои.
Это позволило ему быстро нас догнать,
и в середине 2005 г. обе наши группы
независимо представили в печать статьи,
которые появились в одном и том же
выпуске журнала Nature и описывали наиболее
важные свойства дираковских фермионов
в графене [80, 92]. Позже я имел удовольствие
тесно сотрудничать с Филиппом в работе
над двумя совместными статьями для
Science и Scientific American. Лично для меня те,
появившиеся бок о бок, статьи в Nature,
оказались знаковыми. Люди из большого
сообщества физиков, занимающихся
полупроводниками, больше не распространяли
молву о том, что «эти результаты так
же трудно воспроизвести, как и результаты
Гендрика Шона6 (Hendrik Schon)», а друзья
больше не останавливали меня в коридорах
со словами: «Будь более осторожен —
ты же знаешь…». Я многим обязан Филиппу
за это, и многие люди слышали от меня
слова, которые я говорил и до, и после
присуждения Нобелевской премии, что
для меня было бы честью разделить её с
Филиппом.
И последнее, не менее
важное. Я хочу выразить признательность
многим моим замечательным коллегам,
молодым и постарше: Питеру Блейку (Peter
Blake), Рахулу Наиру (Rahul Nair), Роману Горбачёву
(Roman Gorbachev), Леониду Пономаренко (Leonid
Ponoma-renko), Фреду Шедину (Fred Schedin), Даниелу
Элиасу (Daniel Elias), Саше Майорову (Sasha
Mayorov), Жуй Яну (Rui Yang), Василию Кравецу
(Vasyl Kravets), Чженьхуа Ни (Zhenhua Ni), Венсай
Женю (Wencai Ren), Рашиду Джалилю (Rashid Jalil),
Ибстаму Риазу (Ibstam Riaz), Сурену Нойбеку
(Soeren Neubeck), Тарику Мохиуддину (Tariq Mohiuddin)
и Тиму Буту (Tim Booth). Они были аспирантами
и постдоками здесь, в Манчестере, за
последние шесть лет, и по отношению к
ним я, как всегда, избегаю феодального
определения «мои».
Наконец, я
благодарен Британскому фонду инженерных
и физических исследований EPSRC за
финансовую поддержку. Эта Нобелевская
премия была бы совершенно невозможна
без такой поддержки. Я также благодарен
Королевскому обществу (Royal Society) и фонду
Leverhulme Trust, содействие которых позволило
мне уменьшить мою учебную нагрузку и
сосредоточиться на проекте. Кроме того,
я получал поддержку Управления
военно-морских исследований (Office of Naval
Research) и Управления научных исследований
военно-воздушных сил (Air Force Ofice of Scientiic
Research), что позволило нам значительно
ускорить работу. Хочу выразить
благодарность Фонду Кёрбера за премию
2009 года. Я, однако, не могу сказать ничего
хорошего о системе финансирования
научных исследований Европейского
союза (EU Framework programmes), которой, за
исключением Европейского совета по
исследованиям (European Research Council), могут
быть довольны только еврофобы за
дискредитацию самой идеи эффективно
работающей Европы.
Список
литературы

Андрей Гейм: во славу графена

Андрей Гейм
Предоставлено: University of Manchester

В этом году Нобелевская премия по физике была присуждена первооткрывателям слоев углерода толщиной в один атом, известных как графен. Андре Гейм из Манчестерского университета, Великобритания, разделивший награду со своим коллегой Константином Новоселовым, рассказал Nature , почему графен заслуживает награды и почему он не запатентовал его.

В одном предложении, что такое графен?

Графен — это отдельная плоскость графита, которую нужно вытащить из объемного графита, чтобы показать его удивительные свойства.

Что это за свойства?

Это самый тонкий материал, который только можно себе представить. У него также самое большое отношение поверхности к весу: одним граммом графена можно покрыть несколько футбольных полей (знаете, в Манчестере мы измеряем площадь футбольных полей). Это также самый прочный материал из когда-либо измеренных; это самый жесткий материал, который мы знаем; это самый растяжимый кристалл. Это не полный список превосходных степеней, но он довольно впечатляет.

Многие ожидали, что вы выиграете, но не так скоро после открытия в 2004 году. Ожидали ли вы этого?

Я не думал, что это произойдет в этом году. Я думал о следующем году или, может быть, 2014. Я спал довольно крепко без особых ожиданий. Да, это хорошо, это хорошо.

Графен победил, но на самом деле с ним еще не так много сделано. Как вы думаете, это было слишком рано?

Нет. Приз, если вы читаете цитату, дали за свойства графена; это не было дано за ожидания, которые еще не оправдались. 19 лет Эрнеста Резерфорда.08 Нобелевскую премию по химии дали не за атомную электростанцию ​​— он бы столько не прожил — ее дали за то, что он показал, насколько интересной может быть атомная физика. Я считаю, что Нобелевский комитет проделал хорошую работу.

Считаете ли вы, что углеродные нанотрубки были незаслуженно обойдены вниманием?

Трудно судить; Я немного боюсь быть предвзятым. Если бы награда была дана за привлечение внимания сообщества к графену, то было бы несправедливо отнять ее у углеродных нанотрубок. Но это было дано за свойства графена, и я думаю, что углеродные нанотрубки не обладают таким диапазоном свойств. Всем известно, что с точки зрения физики, а не приложений, углеродные нанотрубки не были такими успешными, как графен.

Как вы думаете, почему графен стал так популярен среди физиков?

Я бы сказал, что графен имеет три важные особенности. Это двумерное число, что является наилучшим возможным числом для изучения фундаментальной физики. Во-вторых, это качество графена, обусловленное чрезвычайно прочными углерод-углеродными связями. И, наконец, система тоже металлическая.

Как вы думаете, для чего в первую очередь будет использоваться графен?

Два или три месяца назад я был в Южной Корее, и мне показали дорожную карту графена, составленную Samsung. На этой дорожной карте было примерно 50 точек, соответствующих конкретным приложениям. Одним из ближайших приложений с разумной рыночной стоимостью был гибкий сенсорный экран. Samsung ожидает чего-то в течение двух-трех лет.

Вы еще не запатентовали графен. Почему это?

Мы думали о патентовании; мы подготовили патент, и он был почти подан. Затем у меня было взаимодействие с большой многонациональной компанией по производству электроники. Я подошел к парню на конференции и сказал: «У нас на подходе этот патент, не хотели бы вы спонсировать его в течение многих лет?» Поддерживать патент в течение 20 лет довольно дорого. Этот парень сказал мне: «Мы смотрим на графен, и у него может быть будущее в долгосрочной перспективе. Если через десять лет мы обнаружим, что он действительно так хорош, как обещает, мы направим на него сотню патентных юристов, чтобы они написали сто патентов в день, и вы проведете остаток своей жизни и весь валовой внутренний продукт вашего маленького острова, судясь с нами». Это прямая цитата.

Я посчитал это высокомерным комментарием и понял, насколько он полезен. На том этапе не было смысла патентовать графен. Вы должны быть конкретными: у вас должно быть конкретное приложение и промышленный партнер. К сожалению, во многих странах, в том числе и в этой, люди считают подачу заявки на патент достижением. В моем случае это было бы пустой тратой денег налогоплательщиков.

Наконец, вы один из тех лауреатов Нобелевской премии, которые сойдут с ума после победы?

Как я уже говорил, некоторые люди перестают заниматься наукой и просто занимаются сумасшедшими и неуклюжими вещами; другие пытаются доказать, что они того стоили, и настолько перегружают исследованиями, что сходят с ума по-другому; и, конечно же, некоторые лауреаты Нобелевской премии к тому времени, когда получают премию, на самом деле стареют. Я постараюсь сохранить рассудок как можно дольше.

Химическая история графена

Главная » Углерод » Комментарий » Химическая история графена

10 июня 2014 г.
| Дэвид Брэдли

Представление графена. Кредит: Википедия.

Я долгое время задавался вопросом, как материаловеды относятся к одному веществу, которое привлекло много внимания в последние несколько лет. Графен. Рекламируется как чудо-материал, и за последние годы о нем несколько раз сообщали ваш покорный слуга и бесчисленное множество других. Это изумительная вещь, отдельные слои графита, представленные как некая бесконечная двумерная молекула с возникающими электрическими, оптическими и физическими свойствами, которые кажутся поразительными во многих отношениях.

Но когда они раздавали Нобелевскую премию по физике в 2010 году, я задавался вопросом, почему они остановились на этом соединении и манчестерских экспериментах, проведенных десятилетием ранее. Разве химики не открыли графен в девятнадцатом веке? Ну да, были. Я смутно припоминаю, что он упоминался в лекциях химика по углероду и углю Гарри Марша в Ньюкаслском университете при обсуждении аллотропов углерода задолго до того, как были признаны бакиболы и углеродные нанотрубки.

В девятнадцатом веке было много удивительных открытий, открытий элементов, новых материалов, электромагнитных явлений. Английский химик Бенджамин Коллинз Броуди еще в 1859 году обнаружил многослойную природу термически восстановленного оксида графита.сообщив об атомном весе графита в Философских трудах Лондонского королевского общества в том же году. Порошковая дифракция использовалась для определения структуры графита в 1916 году, а Кольшюттер и Хенни описали то, что они назвали «бумагой» из оксида графита в 1918 году. Пытаясь разработать теорию электронных свойств объемного графита, П. Р. Уоллес подкрепил свою работу теорией. графена в 1947 году.

Затем Рюсс и Фогт использовали электронную микроскопию, чтобы показать несколько слоев графита в 1948, а затем один слой. В 1962 году Бем и его коллеги опубликовали подробности своей работы над графитовыми чешуйками, которые были однослойными или многослойными. Но именно в начале 1970-х химики нашли способ наносить углерод из монослоев графена на другие материалы.

Хорошо известно, что история графена насчитывает более века химических исследований. Существует обширная химическая литература, состоящая буквально из сотен статей начала 1960-х годов и по теме эпитаксиально выращенного графена 19-го века.70-х годов и далее. Современная легенда о скотче и карандашах стала важной вехой в истории науки, которую некоторые ставят под сомнение. Во время объявления Нобелевской премии несколько ученых заявили о фактических ошибках в рассуждениях Нобелевского комитета, поскольку они были опубликованы, и впоследствии веб-сайт был обновлен. Другие предположили, что награда была преждевременной и что, возможно, работа физика Филипа Кима из Колумбийского университета в Нью-Йорке о свойствах графена должна была быть включена в премию. Химик-графен Уолтер де Хеер из Технологического института Джорджии в Атланте выделил пятьдесят лет эпитаксиального роста графена, которые предшествовали Нобелевской работе.

Маловероятно, что Нобелевский комитет игнорировал предшествующий уровень техники. Они присудили награду за новаторские эксперименты, а не за «открытие» графена. Более того, другие указывали, что автономная природа манчестерского графена, в отличие от поддерживаемых и скрепленных листов более ранних работ, делает его достойным. В некотором смысле прискорбно (с точки зрения химика), что сообщество физиков получило признание за чисто химическое открытие; химия часто уступает биологии и в Нобелевских премиях. Однако ученые девятнадцатого века, Фарадей и многие другие, обычно были эрудитами, междисциплинарными учеными в эпоху, когда еще не разграничились отдельные дисциплины — химия, физика, материаловедение. Милдред Дрессельхаус из Массачусетского технологического института — один из новаторских эрудитов современности, на его счету огромное количество того, что мы теперь знаем об углеродных материалах, включая графит, графен и углеродные нанотрубки.

«Одним из пионеров графена 1980-х и 1990-х годов является Милли Дрессельхаус!» говорит Йорг Хебер, управляющий редактор по физическим наукам в Nature Communications , подтверждает. «Среди прочего она изучала графит, углеродные нанотрубки и графен». Хибер, подробно прокомментировавший историю Нобелевского конкурса графена во время объявления и некоторые противоречия, добавляет, что «графен, безусловно, прошел долгий путь с тех пор, как химики изучили углерод и его аллотропы. Сосредоточив внимание на уникальных свойствах наноразмерных материалов, Гейм, Новоселов и другие пионеры в этой области создали совершенно новую область исследований, в которой химия, физика и материаловедение объединяются, чтобы использовать сильные химические связи между атомами углерода в двух измерениях. открытия впереди нас».

Графен — удивительный и замечательный материал. Он подает большие надежды, и в последние несколько лет эти обещания постепенно проявляются в виде методов его создания и обращения с ним, которые развиваются и совершенствуются. Этот материал будет иметь свой день из-за света, пролитого на него, независимо от его химической истории.

Дэвид Брэдли ведет блоги по адресу http://www. sciencebase.com и твиты @sciencebase. Он является автором научно-популярной книги «Обманутая мудрость».

Поделиться этим комментарием

Новости

Новое исследование наносит удар по графеновым нанолентам

Исследователи показали, что «дефекты укуса» в графеновых нанолентах могут нарушать их электронный транспорт, но также вызывают спин-поляризованные токи.

7 июня 2021 г.

Текущие исследования

Гетероатомно-легированный графен для хранения и преобразования энергии , Камаль К. Кар, Ацунори Мацуда

Текущие исследования

Нечувствительный к кристаллографической структуре поверхности рост ориентированных доменов графена на медных подложках и завещание Альфреда Нобеля в музее Нобеля может произвести впечатление на любого и прочитать завещание Альфреда Нобеля.

Музей графена-Нобеля в Стокгольме/Фото: © Susan Fourtané for Interest Engineering

Графен состоит из сети атомов углерода толщиной всего в один атом. Он был обнаружен профессором сэром Андре Геймом и профессором сэром Константином Новоселовым, исследователями из Манчестерского университета, Англия, в 2004 году.

Физики использовали обычный скотч, чтобы отделить тонкие чешуйки углерода от куска графита.

Графит — это форма углерода, подобная той, что используется в карандашах. Физики ожидали, что чрезвычайно тонкие чешуйки графита будут обладать интересными свойствами. Однако произвести его в реальности посчитали невозможным.

Графен: одно из величайших открытий 21 века 

Андрей Гейм и Константин Новоселов думали, что смогут сделать невозможное возможным. Они попытались отделить тонкие чешуйки углерода от цельного куска графита с помощью обычного скотча.

При ближайшем рассмотрении под микроскопом эти хлопья были толщиной всего в несколько атомов. Наконец, после многих безуспешных попыток, они открыли графен.

[см. также]

Настойчивость Андрея Гейма и Константина Новоселова была вознаграждена открытием нового материала, который произвел революцию в будущем электроники и телекоммуникаций, среди прочих областей.

Позже ученые были совместно удостоены Нобелевской премии по физике 2010 года за новаторские эксперименты и открытие сверхматериала.

Графен прочнее стали, тверже алмазов, более проводящий, чем медь, более гибкий, чем резина, он прозрачен до такой степени, что становится почти невидимым. Графен также является отличным проводником электричества. Он проводит электричество в 100 раз быстрее, чем кремний. Его также можно формовать в любой форме, которую вы хотите. Графен — одно из величайших открытий 21 века.

Графен, первые дни 

В то время открытие графена открыло очевидные новые возможности в электронной и полупроводниковой промышленности. Одним из первых испытаний потенциала графена, предпринятых физиками, было его использование в транзисторах.

Другим первоначальным коммерческим применением чернил на основе графена в первые дни было высокоскоростное производство недорогой печатной электроники, умной упаковки, RFID-меток и одноразовых биосенсоров.

Экспозиция графита, скотча и графенового транзистора, подаренных физиками Нобелевскому музею в Стокгольме. Нобелевская премия по физике 2010 г. Необычные свойства графена делают его суперматериалом.0002 Андрей Гейм и Константин Новоселов подарили графит, моток скотча и графеновый транзистор Нобелевскому музею в 2010 году. отправной точкой для серии идей новых открытий и применений графена от ученых со всего мира.

Андрей Гейм и Константин Новоселов так и не запатентовали свое открытие.

Графит, моток скотча и графеновый транзистор, подаренные Нобелевскому музею в Стокгольме Андреем Геймом и Константином Новоселовым в 2010 г. Фото: © Susan Fourtané for Interest Engineering 

Нобелевский музей и Нобелевская премия по физике 

Нобелевский музей расположен в красивом Старом городе (Гамла Стан) Стокгольма, Швеция. Его миссия состоит в том, чтобы поддерживать и распространять знания в области науки, искусства и мирных дискуссий посредством творческого обучения, выставочных методов и современных технологий.

Мужество, творчество и настойчивость приводят к идеям и открытиям, которые меняют мир. Нобелевские лауреаты вдохновляли новые поколения ученых, давая надежду на блестящее будущее.

Нобелевский музей иллюстрирует и демонстрирует изменения и достижения более чем столетия благодаря идеям, работе и открытиям более 900 нобелевских лауреатов, представленным в короткометражных фильмах, оригинальных артефактах и ​​компьютерах.

Нобелевский музей в Стокгольме, Швеция / Фото: © Susan Fourtané for Interest Engineering , был награжден 112 раз до 210 лауреатов по физике на сегодняшний день.

«Нобелевская премия по физике 2010 года была присуждена совместно Андрею Гейму и Константину Новоселову «за новаторские эксперименты с двумерным материалом графеном». , Швеция. Шесть раз (1916, 1931, 1934, 1940, 1941 и 1942) Нобелевская премия по физике не присуждалась. будет признано важным, указанным в первом абзаце, призовой фонд будет зарезервирован до следующего года. Если даже в этом случае приз не может быть присужден, сумма должна быть добавлена ​​к ограниченным фондам Фонда». 

Первая мировая война и Вторая мировая война также повлияли на получение Нобелевской премии; во время обеих войн было присуждено меньше призов.

Самым молодым лауреатом Нобелевской премии по физике является Лоуренс Брэгг. Он разделил награду со своим отцом Уильямом Брэггом в 1915 году. Лоуренсу было 25 лет. Старейшим лауреатом Нобелевской премии по физике является Артур Ашкин. Он был удостоен Нобелевской премии по физике в 2018 году. Ему было 96 лет.

Джон Бардин получил Нобелевскую премию по физике в 1956 и 1972 годах. На сегодняшний день он единственный человек, получивший эту награду дважды. Мария Кюри — единственный человек, удостоенный одновременно Нобелевской премии по физике в 1903, и Нобелевская премия по химии в 1911 году.  

С тех пор как в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физике, только трижды она присуждалась женщине. Первой женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике, была Мария Кюри, которая получила эту награду в 1903 году.

Только в 1963 году другая женщина, Мария Гепперт-Майер, была удостоена Нобелевской премии по физике. А спустя 55 лет, в 2018 году, Донна Стрикленд стала первой женщиной XXI века, удостоенной Нобелевской премии по физике.

Среди самых выдающихся лауреатов Нобелевской премии по физике, конечно же, профессор сэр Андре Гейм и профессор сэр Константин Новоселов, получившие награду в 2010 году за революционное открытие графена.

Завещание Альфреда Нобеля 

Оригинал рукописи завещания Альфреда Нобеля выставлен в Нобелевском музее в Стокгольме, Швеция. его последняя воля и завещание в Париже, Франция, 27 ноября 189 г.5, за год до его смерти. Альфред Нобель умер 10 декабря 1896 года в Сан-Ремо, Италия.

Альфред Нобель решил отдать почти все свое состояние на ряд призов.

Оригинал рукописи завещания Нобеля, который находится на выставке в Музее Нобеля в Стокгольме и показан здесь выше, подробно описывает каждый из призов.

В разделе, посвященном физике, говорится, что премия будет присуждена «человеку, который сделает самое важное открытие или изобретение в области физики».

В конце подробностей того, какое учреждение должно отвечать за каждую награду, Альфред Нобель заявил: «Я выражаю особое желание, чтобы при присуждении премий не учитывалась самому достойному человеку, независимо от того, скандинав он или нет».

Полный текст завещания Альфреда Нобеля можно прочитать здесь на английском и шведском языках.

More Stories

наука
Ожидается, что завтра на Землю обрушатся огромные геомагнитные бури

Амея Палеха| 03.10.2022

инновации
SpinLaunch впервые запустила в небо полезный груз НАСА

Крис Янг| 04.10.2022

наука
Исследователь из Массачусетского технологического института рассказывает, что означает его система охлаждения без электричества для домов

Sade Agard| 23. 09.2022

Оксид графена и производные: место в семействе графенов

Введение

Для начала стоит ответить на вопрос: что такое оксид графена? Первоначально оксид графена (ОГ) рассматривали как результат химического расслоения и окисления слоистого кристаллического графита (природного или искусственного) [1]. Удивительно, но при определенных условиях окисления графита атомы углерода сохраняют целостность двумерной структуры слоев с кислородсодержащими функциональными группами, прикрепленными к обеим сторонам углеродной плоскости и к краям [2]. Однако совсем недавние результаты показали, что такую ​​же структуру можно получить и альтернативным (восходящим) методом гидротермальной обработки глюкозы [3] или даже методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) [4]. Поэтому сегодня стоит дать более общее определение исходя из его строения: одноатомный углеродный слой, обе поверхности которого модифицированы кислородсодержащими функциональными группами. Как и любой двумерный углерод, ГО может иметь однослойную или многослойную структуру [5]. Углеродные слои в многослойном ОГ разделены функциональными группами, связанными с каждым слоем атомов углерода. Хотя ОГ, как и графен, представляет собой двумерный углеродный материал, его свойства крайне далеки от свойств графена. Он не поглощает видимый свет, имеет очень низкую электрическую проводимость по сравнению с графеном и демонстрирует значительно более высокую химическую активность.

Впервые оксид графена был синтезирован Бенджамином Броди в 1859 г., намного раньше, чем был открыт графен [6]. Он изобрел способ получения оксида графита. Он заключался в окислении и расслаивании природного кристаллического графита и, несомненно, давал заметное количество однослойного оксида графена. К сожалению, в то время никто не знал о графене. Только по прошествии более чем полутора веков после «Возвышения графена [7]» о старом изобретении вспомнили как об эффективном и дешевом способе изготовления нового интересного и перспективного материала.

Технология оксида графена

Методы синтеза оксида графена

Новейшие методы получения ОГ основаны на заметной способности слоистого графита к интеркаляции. Он позволяет атомам активных металлов и некоторых видов окислителей проникать между плоскими углеродными слоями кристаллического графита, увеличивая межслоевое расстояние и модифицируя поверхности слоев химически связанными функциональными группами. Наконец, действие подходящих окислителей вызывает полную разборку кристалла графита на отдельные углеродные монослои с химически модифицированной поверхностью.

Известные способы получения оксида графена (по Броди, Штауденмайеру, Хоффману) включают применение сильных кислот (азотной и/или серной) и хлората калия. В наиболее популярном методе Хаммерса-Оффемана используется смесь концентрированных H ₂ SO ₄ , NaNO ₃ и KMnO ₄ . Он обеспечивает хороший урожай и требует меньше времени, чем предыдущие методы. Конечным продуктом синтеза ГО (рис. 1А) является водная суспензия частиц ГО желтого цвета [8].

Рисунок 1 . Формы и структура ГО. (А) Водная дисперсия ГО. Принято с разрешения Dong et al. [11] Copyright 2017ACS. Inc. (B) СЭМ-изображение большого листа GO на подложке Si/SiO ₂ . Принято с разрешения Marcano et al. [9] Copyright © 2010 ACS. (C) Схема строения ГО по данным HRTEM Ericson et al. [13] из однослойного подвесного листа GO. Нетронутые области графена обозначены зелеными шестиугольниками, области, содержащие кислородные функциональные группы, обозначены пурпурным цветом, а отверстия в базовой плоскости отмечены белым цветом, приблизительный размер которых составляет 8 x 8 нанометров. (D) Схематическая структура ГО в соответствии с вариантами модели Лерфа-Клиновского, указывающими на неоднозначность в отношении присутствия карбоновых кислот (вверху) или сложного эфира третичного спирта, и кетоновых групп на периферии базисной плоскости (внизу), в соответствии с Гао и другие. [14]. Принято с разрешения Lerf et al. [15] Copyright © 1998 ACS. (E) АСМ-изображение частиц GO на подложке из ВОПГ. Наложенный профиль максимумов вдоль красной линии. Принято с разрешения Paredes et al. [16] Авторское право © 2009 г.СКУД.

Современные усовершенствования препаратов ГО основаны на хаммеровском окислении и эксфолиации графита [9]. Подробный обзор известных способов получения ОГ окислением графита дан в Singh et al. [10].

Важно отметить, что условия химического окисления графита обычно требуют малого (< 10 мкм) размера частиц исходного материала. Для завершения химических реакций обычно требуется интенсивное перемешивание или даже обработка ультразвуком. Эти факторы затрудняют получение крупных хлопьев ГО. По этой причине средний размер частиц коммерчески доступного ОГ не превышает нескольких микрон.

Однако основные свойства самого ОГ и особенно коллигативные свойства макроскопических структур, образованных ОГ (подобных пластинчатым пленкам), сильно зависят от среднего размера чешуек. Поэтому увеличение размера синтезируемых частиц ОГ остается сложной задачей для технологии. По этой причине некоторые недавние исследования предлагают усовершенствование метода приготовления ГО, направленное на получение крупных и сверхкрупных тромбоцитов ГО (LGO и ULGO) [11]. Идея метода заключается в разделении процесса приготовления ОГ на две стадии: мягкое химическое расслоение исходного графита на графеновые чешуйки в жидких средах и последующее окисление полученного продукта в мягких условиях. В частности, использование взаимодействия кристаллического графита, триоксида хрома и пероксида водорода позволяет получать эффективно расслоенный графит при комнатной температуре [12]. Условия процесса способствуют сохранению целостности полученных чешуек графена. Последующее окисление полученных крупных чешуек графена при пониженной (относительно обычного метода Хаммерса) концентрации перманганата калия позволяет получить однородные чешуйки ОГ большой площади (рис. 1Б) без образования дефектов окисления [9]., 17].

Структура и состав

На рисунке 1 показаны формы и структура ГО. Структура ГО изучалась широким спектром методов. Результаты, полученные методами твердотельного ядерного магнитного резонанса (ЯМР) [15, 18, 19], рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и рентгеновской спектроскопии ближнего края поглощения (XANES) [14, 20–26], Фурье Трансформационная инфракрасная спектроскопия (FTIR) [21, 26–28] и спектроскопия комбинационного рассеяния [16, 24, 29] позволяют предположить, что наилучшее описание структуры листа GO дает модель Лерфа-Клиновского [15], обновленная Gao et al. [14] (рис. 1D). Эта модель представляет каждую частицу GO базисной плоскостью sp ³ гибридизованные атомы углерода с химически связанными гидроксильными и эпоксидными функциональными группами, расположенными в непосредственной близости друг от друга по обеим сторонам плоскости. Края базисной плоскости оканчиваются карбоксильными группами, пяти- или шестичленными лактоловыми (О-С-О) кольцами, кетоном и эфиром третичного спирта. Важно отметить, что среднее содержание краевых функциональных групп обратно пропорционально размеру частиц ОГ.

Скорректированные аберрации изображения просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM) [13] (схема на рис. 1C), а также результаты исследования наноконтактной атомно-силовой микроскопии (NC-AFM) (рис. 1E) [30] продемонстрировали, что частицы GO всегда содержат некоторые нетронутые графеновые домены. Содержание и размер доменов связаны с условиями процесса эксфолиации/окисления препарата ГО. Содержание sp ³ Связь С-О, вызывающая структурное искажение базисной плоскости, выявляемое с помощью спектроскопии потерь энергии электронов (EELS) [31], связана с условиями получения ОГ и структурой исходного графита.

Перфорации в базовой плоскости, показанные на (рис. 1В), также связаны с дефектами исходного графита и условиями синтеза ОГ. Перфорации также заканчиваются теми же функциональными группами, которые прикреплены к краям частиц GO.

Свойства оксида графена

На рисунке 2 показаны физические свойства ОГ. Частицы GO обладают высокой гидрофильностью. Они образуют стабильные водные дисперсии в широком диапазоне концентраций. Они образуют стабильные дисперсии в ряде органических растворителей, таких как этиленгликоль, диметилформамид (ДМФ), н-метил-2-пирролидон (НМП), тетрагидрофуран (ТГФ) [34], благодаря водородным связям между гидроксильными группами на их поверхности и поверхности раздела с растворителем. [35]. Это свойство позволяет изготавливать пленки на различных подложках даже простым методом капельного литья. Тонкие пленки ОГ обладают высокой оптической прозрачностью.

Рисунок 2 . Физические свойства ГО. (A) Трансформация спектров поглощения света ГО при термическом (rGO-HT) и УФ восстановлении (rGO-UV). Принято с разрешения Kumar et al. [32] 2013 Природа. (B) Поверхностное сопротивление термически восстановленного GO по сравнению с содержанием углерода sp ² . Вертикальная пунктирная линия указывает порог перколяции при sp ² доли ~0,6. По данным Mattevi et al. [22]. (C) Схема эволюции доменной структуры ГО при восстановлении: слева — исходное ГО, справа — частично восстановленное. Темно-серым цветом обозначены sp ² графеновых областей, светло-серым — sp ³ кислородсодержащая область. Согласно Mattevi et al. [22]. (D) Спектры люминесценции ФЛ прогрессивно восстановленных пленок GO. В легенде указано общее время воздействия гидразина. Длина волны возбуждения 325 нм. Данные из Eda et al. [33]. (E) Объяснение цветения GO. Вверху: расчетная энергетическая щель π-π*-переходов в зависимости от количества атомов в домене графена. Внизу: схематическая зонная структура GO [синий и коричневый представляют зоны проводимости (CB) и валентную зону (VB) соответственно]. Меньшие домены sp ² имеют большую энергетическую щель из-за более сильного эффекта ограничения. Изображена фотогенерация пары электрон-дырка (e-h) при поглощении света (Exci) с последующей релаксацией и излучательной рекомбинацией, приводящей к флуоресценции (PL). Белые стрелки обозначают переходы электронов и дырок во время этого процесса. Согласно Eda et al. [33].

На рис. 2А представлены спектры оптического поглощения пленки GO [36]. Благодаря гибридизации большей части атомов углерода sp ³ ведет себя как широкозонный изолятор. Электропроводность ОГ определяется преобладанием диэлектрических областей sp ³ атомов углерода, связанных с кислородсодержащими группами, которые отделяют домены исходного графена друг от друга. В результате проводимость становится меньше 10 ⁻¹⁰ См см ⁻¹ [14]. На рис. 2Б представлена ​​зависимость сопротивления термически восстановленного ОГ от содержания углерода sp ² . Вертикальная пунктирная линия указывает порог перколяции при sp ² доли ~0,6.

Наличие доменов графена (рис. 2C) является причиной заметной широкополосной флуоресценции в GO. На рисунке 2D показаны спектры ФЛ прогрессивно восстановленных пленок GO. Суммарное время воздействия гидразина отмечено в легенде. Длина волны возбуждения 325 нм. Выявлено, что наиболее интенсивное синее свечение (рис. 2Г) имеет место в слабовосстановленном ГО – около 3 мин в гидразине. Увеличение степени восстановления приводит к резкому гашению светового излучения. На рис. 2Е показана модель для объяснения наблюдаемого эффекта. Вверху показаны результаты расчета ширины запрещенной зоны для фрагментов графена с увеличением размера в структуре частично восстановленного ОГ. Схема в нижней части рисунка 2E демонстрирует передачу возбуждения в структуре частично восстановленного GO между небольшими доменами графена (большая запрещенная зона), которые поглощают свет возбуждения, и большими доменами (малая запрещенная зона), которые излучают фотоны ФЛ. Таким образом, непрерывный спектр размеров доменов является причиной широкополосной ФЛ и спектров возбуждения частично восстановленного ОГ [33, 37].

Наличие гидроксильных и эпоксидных групп на базовой плоскости листов и карбоксильных групп на их краях открывает путь для химической модификации свежеприготовленного ГО. Различные методы химической модификации ГО с использованием активации краевых карбоксильных групп обсуждаются в обзоре [34]. С помощью активации тионилхлоридом (SOCl ₂ ) и последующей редакцией аминов или гидроксилов можно получить ковалентно присоединенные к частицам ГО различные функциональные группы.

Схема на Рисунке 3A демонстрирует в качестве примера изоцианатную обработку GO, при которой органические изоцианаты реагируют с гидроксилом (левый овал) на базовой поверхности листов GO, образуя присоединенные карбаматные функциональные группы. Правый овал иллюстрирует реакцию с карбоксильными группами на краях тромбоцитов GO, приводящую к краевой амидной функционализации [38]. Подход к целенаправленной ковалентной функционализации эпоксидных групп в базовой плоскости листов GO демонстрирует рисунок 3B. Использование ионной жидкости (ИЖ) с концевыми аминогруппами [39].] позволяет проводить нуклеофильную реакцию раскрытия цикла между эпоксидными группами и аминогруппами, присоединенными к ионной жидкости. Реакция, катализируемая гидроксидом калия (KOH), дает частично восстановленный GO, модифицированный IL-NH ₂ . Улучшает диспергируемость ВГО в широком диапазоне растворителей. Подобная функционализация GO также может быть осуществлена ​​реакциями раскрытия цикла с эпоксидными группами с использованием октадециламина. Конъюгация целевых функциональных групп открывает возможности для использования тромбоцитов ГО в различных полимерных композитах [42], системах доставки лекарств [43] и биоустройствах [44].

Рисунок 3 . Химическая модификация ГО и рГО. (A) Обработка GO изоцианатом, при которой органические изоцианаты реагируют с гидроксильными (центральная стрелка) и карбоксильными группами (стрелки вверху и внизу) листов GO с образованием карбаматных и амидных функциональных групп соответственно. Согласно Станковичу и соавт. [38] Copyright 2006, Elsevier, Inc. (B) Ковалентная функционализация эпоксидных групп GO ионной жидкостью. Принято с разрешения Yang et al. [39] Авторское право 2009 г., РСК. (C) Функционализация диазонием обернутых поверхностно-активным веществом листов химически преобразованного графена. ГО обрабатывали поверхностно-активным веществом додецилбензолсульфонатом натрия (ДБС). Принято с разрешения Lomeda et al. [40]. Авторское право 2008 АСЦ. (D) Нанокомпозит поли(3,4-этилдиокситиофен)[PEDOT]/сульфированный графен Согласно Xu et al. [41].

Как упоминалось ранее в Stankovich et al. [38] может быть полезно повысить растворимость листов GO в органических растворителях или укрепить композиты полимер-GO в структурах, подобных бумаге [45]. Наличие графена sp ² доменов в составе ГО предоставляет еще один способ присоединения требуемой функциональности к базовому плану. Нековалентная функционализация (посредством катион-π или ван-дер-ваальсова взаимодействия) делает возможным успешное присоединение ДНК или белков к поверхности пленки ГО для биосенсорного анализа [46].

Редукция ОГ

В начале волны интереса ОГ рассматривался только как способ массового производства дешевого графена. Поэтому важнейшей задачей трансформации ГО было полное восстановление структуры и свойств графена. Структура и химический состав ОГ при высокой степени окисления нестабильны. Значительная часть кислородсодержащих функциональных групп может быть легко удалена из базисной плоскости частицы ОГ благодаря ее высокой поверхностной реакционной способности. Многочисленные исследования предложили широчайшее разнообразие методов восстановления ГО [8, 47]. Существующие методы превращения ОГ в графен можно условно разделить на три группы: физические (термические), химические и гибридные, в которых одновременно играют роль физические и химические факторы.

Общим признаком термических методов является нагрев ОГ непосредственно или путем облучения [микроволновым, инфракрасным видимым или ультрафиолетовым (УФ)] в вакууме, инертной или восстановительной атмосфере. Превращение ОГ в ВОГ происходит в широком диапазоне температур. Несомненным преимуществом термического восстановления является одновременное удаление кислородсодержащих групп и восстановление структуры ОГ путем термического отжига. Способствует восстановлению дефектов окисления базисной плоскости ГО на плаву sp3-sp2 регибридизации атомов углерода. Нижний температурный предел для термического восстановления GO, о котором сообщалось в Kumar et al. [32] составляет 50°С. При этом для достижения заметного его уровня требуется несколько дней. В случае пленок ОГ на подложке верхний предел температуры зависит в основном от материала подложки, его термической стабильности и химического взаимодействия с углеродом при нагреве. В случае свободных мембран верхний уровень температуры ограничивается испарением углерода или разрушением структуры графена за счет реакции с восстановительной атмосферой. Донг и др. В работе [11] сообщается о температуре термического восстановления, превышающей 2400°С, полученной при прямом джоулевом нагреве. В этом случае время, необходимое для полного восстановления ГО, составляет менее 1 мин.

При этом типичный диапазон температур термического восстановления находится в пределах 400–1200°С. Выбор определяется разумной продолжительностью процесса для требуемой степени восстановления ГО. По этой причине трудно применять термическое восстановление в жидких средах или для пленок ОГ на органических и большинстве неорганических подложек.

В химическом восстановлении используются различные реагенты. Часто используемым реагентом для восстановления ОГ является гидрат гидразина. Среди известных реагентов, эффективно восстанавливающих ОГ до графена, можно назвать порошок Fe, боргидрид натрия, гидрохинон, гексаметилентетрамин, йодистоводородную кислоту, щелочные растворы натрия и калия. Его можно проводить в жидких средах или в паровой атмосфере при умеренной или даже комнатной температуре [47]. Каталитические методы фотовосстановления также можно отнести к химическим. Например, присутствие частиц диоксида титана эффективно способствует восстановлению ОГ в водных средах под действием УФ-облучения [48]. Оксид цинка и ванадат висмута также проявляют фотокаталитические свойства для восстановления ОГ в жидких средах [47]. Дополнительным преимуществом химических методов является возможность одновременной химической модификации синтезируемого материала. В качестве примера химического подхода стоит упомянуть группу экологически безопасных методов мягкого восстановления с использованием органических кислот, сахаров, белковых аминокислот и даже микроорганизмов [49].]. Сравнение восстановления ОГ химическим и термическим методами по полученному остаточному содержанию кислорода и листовой электропроводности демонстрирует заметное преимущество термического восстановления [19].

Степень восстановления, достигаемая химическими методами, может быть увеличена при использовании сольвотермического метода — сочетания химической и термической обработки в сверхкритических условиях [50]. Подобный гибридный подход позволяет получить легирование азотом восстановленного ОГ [51, 52] с более высокой электропроводностью. Продемонстрирована управляемая перфорация пластин ULGO при мягком УФ-облучении в атмосфере аргона. Этот метод дает одновременную модификацию краев отверстий карбоксильными группами, что полезно для применения в химических сенсорах [53]. Функционализация rGO основана в основном на нековалентном ван-дер-ваальсовом и π–π-стэкинг-взаимодействии полимеров или малых молекул с базисной плоскостью [36]. К сожалению, увеличение концентрации дефектов базисной плоскости при окислении, а также образование высокостабильных карбонильных и эфирных групп препятствует полному восстановлению ОГ до графена [26]. Детальное исследование показало, что при восстановлении ГО сохраняет существенно неоднородную структуру базисной плоскости. Площадь, покрытая sp ² доменов увеличивается, а кислородсодержащие sp ³ областей расщепляются на изолированные пятна за счет энергетически выгодной диффузии гидроксильных и эпоксидных групп [32]. При этом крутой подъем проводимости на каком-то этапе восстановления ГО соответствует присоединению sp ² доменов и преодолению порога перколяции [22, 52].

Недавние обзоры предполагают, что из-за неполного восстановления структуры исходного графена и, следовательно, меньшей электропроводности и подвижности электронов восстановленный оксид графена (rGO), вероятно, не заменит эпитаксиальный CVD-графен в активных электрических компонентах [10]. В то же время многие полезные свойства rGO, такие как контролируемая функциональность, высокая электрическая и теплопроводность, доступность исходного материала, дешевый и масштабируемый процесс приготовления, делают GO, а rGO самостоятельным двумерным углеродным материалом с широчайшим спектром применения. Например, rGO может быть успешно функционализирован солями диазония с использованием предварительной обработки поверхностно-активным веществом додецилбензолсульфонатом натрия (SDBS) [40] (рис. 3C). Сульфированный rGO также может быть включен в полимерный нанокомпозит путем сополимеризации с поли(3,4-этилдиокситиофеном) [PEDOT] (рис. 3D) [41].

Результаты интенсивных исследований свойств и структуры ОГ и ВОГ, проведенных в начале этого десятилетия, заложили хорошую базу, достаточную для начала разработки множества новых технологий [54]. Поэтому фокус исследований в области GO и rGO заметно сместился в область приложений. Об этом свидетельствует огромное количество научных публикаций по применению ГО и ВОГ в различных технологических областях, превышающее 23 000 наименований (по данным WoS) за последние 2 года.

Применение оксида графена

Важнейшим свойством для значительной части применений материалов на основе GO является электрическая проводимость. Как было сказано выше, ОГ с высоким отношением О/С является изолятором. Поэтому для повышения проводимости ГО требуется ее частичное восстановление. Это несколько снижает химическую функциональность материала. Тем не менее, в ряде приложений используются в основном химические и механические свойства ОГ. В этом случае важно избежать процесса восстановления ГО.

Проводящие прозрачные покрытия

Прозрачные защитные и проводящие покрытия — одно из первых и широко обсуждаемых применений ВГО [55–58]. Пленки толщиной в несколько атомных слоев легко наносились на любую гидрофильную поверхность простым методом капельного литья или центрифугированием [59] с последующим испарением воды. В случае использования электропроводящей подложки гладкость и плотность пленки можно повысить с помощью электрофореза [60]. Если поверхность субстрата гидрофобна, можно использовать дисперсию в подходящем органическом растворителе. Восстановление пленок GO до rGO необходимо проводить, избегая повреждения подложки. Подходящий метод, наиболее совместимый с субстратом, может быть выбран из широкого спектра физических, химических или гибридных методов. Адгезия Ван-дер-Ваальса к подложке в большинстве случаев достаточна для прочных пленок и покрытий ВОГ. Его также можно усилить, используя химическую связь с карбоксильными группами на краях пластин ВГО, которые формируют структуру пленки. Использование ГО позволяет изготавливать прозрачные графеновые электроды неограниченной площади для дисплеев, солнечных элементов и люминесцентных источников света [61]. Графен менее дорог и безопасен для окружающей среды по сравнению с традиционным прозрачным проводником ITO и может успешно заменить его в большинстве приложений.

Электроника

Прозрачные пленки rGO имеют несколько меньшую проводимость, чем графеновые CVD-пленки, изготовленные по рулонной технологии [62] для аналогичных применений из-за их плиткообразной структуры [63]. В то же время основным преимуществом пленок rGO является их лучшая устойчивость к деформации подложки, что важно для применения в гибкой электронике. Селективное преобразование GO-rGO позволяет формировать электрические межсоединения на гибких подложках. Рисунок 4А иллюстрирует процесс формирования рисунка пленок GO-rGO на гибкой подложке при УФ-освещении. Гомогенная дисперсия GO + N-метил-2-пирролидон (NMP), нанесенная центрифугированием и высушенная при 100 oC перед воздействием УФ-излучения в течение 45 мин. после маскирования желаемым рисунком [64]. Еще одной привлекательной особенностью GO является совместимость с процессом струйной печати [68, 69].]. Это открывает широкую область применения в будущих электронных устройствах, включая не только гибкие и прозрачные соединения схем [70], но и активные элементы, такие как полевые транзисторы (FET) [71, 72] и органические светоизлучающие устройства (OLED) [73, 74]. .

Рисунок 4 . Примеры применения GO и rGO. (A) Схема нанесения рисунка пленок GO-rGO на гибкую подложку при УФ-освещении для применения в гибкой электронике. Согласно Sonia et al. [64] Copyright 2018, Elsevier, Inc. (B) Функции GO и rGO в композитах на основе графена для фотокатализаторов. Соответственно Ли и соавт. [65]. Copyright © 2016 ВАЙЛИ-ВЧ. (C) Схема процесса изготовления отдельно стоящих композитных пленок rGO-S для катодов Li-S аккумуляторов. Принято с разрешения Luo et al. [66] Copyright 2017, RSC (D) Схема рабочего процесса ферментативного биосенсора на платформе rGO. Принято с разрешения Bahamonde et al. [67]. Copyright Автор(ы) 2018.

Проводимость пленок ВОГ с плиткообразной или бумажной структурой определяется в большей степени вкладом контактов между листами ВОГ и в меньшей степени их собственным сопротивлением. Таким образом, разработка технологии приготовления ЛГО и УЛГО [12] позволит повысить проводимость прозрачных электродов ВОГ. Соответственно дополнительное химическое легирование ОГ также может способствовать повышению проводимости при умеренном значении эффективной подвижности носителей заряда.

Для некоторых применений прерывистая структура тонкой пленки ВОГ имеет решающее значение. Использование пленок rGO в качестве слоев для прозрачных электродов, встроенных в структуру GaN-светодиодов, позволяет увеличить выходную мощность светодиодов, избегая локального перегрева и повреждения устройств [75–77].

Солнечные элементы

Прозрачные электроды rGO большой площади могут стать незаменимым компонентом недорогих гибких солнечных элементов на основе органических материалов. Недавно GO и химически модифицированный rGO были использованы в качестве компонентов для электрон-транспортных слоев в новых интенсивно развивающихся солнечных элементах на основе органических перовскитов [78]. Использование GO и rGO приводит к заметному повышению квантовой эффективности и долговечности [79–82]. Какавелакис и соавт. [83] также был продемонстрирован эффективный метод синтеза наноструктурированного TiO ₂ (важный компонент органических солнечных элементов и систем фотокатализа) с применением листов GO в качестве подложки и диспергатора. GO или rGO также являются полезными материалами для противоэлектрода в сенсибилизированных красителем сверхдешевых солнечных элементах на основе жидкого электролита [48].

Фотокатализаторы

Фотокатализ – одна из интенсивно развивающихся и востребованных технологий, в частности для защиты окружающей среды [84]. Идею фотокатализатора можно рассматривать как эволюцию концепции органических солнечных элементов. Он сочетает в себе преобразование солнечной энергии и проведение целенаправленной электрохимической реакции. Фотокатализаторы используют те же наночастицы полупроводника с широкой запрещенной зоной, что и TiO 9.0250 2 или ZnO для поглощения солнечного света и использовать интерфейс с водным электролитом для разделения зарядов возбужденных электронно-дырочных пар. Это позволяет проводить электрохимическое окисление ряда вредных примесей [84–88]. Включение полупроводниковых нанокристаллов в структуру нанокомпозитов с химически модифицированными ОГ и ВОГ позволяет расширить круг доступных реакций [65]. Недавно разработанные нанокомпозитные фотокатализаторы, содержащие наноточки и наночастицы переходных металлов, открывают путь к диссоциации даже H ₂ О и СО ₂ [65, 89]. ОГ и ВОГ в нанокомпозитной структуре фотокатализатора выполняют роль связующего, электрода и носителя для внешнего химического катализатора для проведения целевых реакций [85]. В недавних публикациях также сообщается об использовании композитов GO и rGO с наночастицами металлов и другой функционализацией в качестве эффективного традиционного химического катализатора для различных реакций [90–93], включая синтез биотоплива [94]. Разнообразие функций GO и rGO в нанокомпозитном графене. на основе фотокатализаторов иллюстрирует фигуру 4B.

Литиевые батареи

Еще один объект исследовательского интереса в области GO и rGO явно связан с электродами для систем накопления энергии — суперконденсаторов и литиевых батарей. На сегодняшний день литиевые батареи обладают максимальной энергоемкостью. Внимание исследователей привлекает улучшение материалов анодов для увеличения срока службы и электрохимических характеристик обычных литий-ионных аккумуляторов [95–99]. В то же время значительную часть исследовательских усилий привлекают Li-S аккумуляторы, обещающие теоретическую плотность энергии почти на порядок выше современных промышленных образцов [100].

К сожалению, самородная сера, используемая в качестве катодного материала в батареях Li-S, создает препятствия на пути промышленного использования. Основным препятствием является изначально низкая электропроводность элементарной серы, используемой в качестве катода. Использование аллотропов серы типа цепей S2—S4 накладывает ряд технических препятствий, включая снижение емкости и саморазряд. Более того, многократное растворение и повторное осаждение серы приводит к быстрому разрушению катода. Следовательно, следующий шаг к промышленным серным батареям требует идеального исходного материала для серного катода. Он должен инкапсулировать элементарную серу и одновременно обеспечивать высокую электропроводность. По результатам последних исследований, вероятно, это будет нанокомпозит ВОГ и частиц серы [9].9, 100]. На рисунке 4C схематично показан процесс изготовления отдельно стоящих композитных пленок rGO-S путем: I) самосборки листов rGO путем вакуумной фильтрации с образованием сольватированных пленок rGO; II) погружение сольватированных пленок rGO в этанол и последующий раствор S/CS2 (10 мас.% серы) для импрегнирования серы в пространство интервала сольватированных пленок rGO, III) промывание сольватированных пленок rGO этанолом и водой для удаления остатков CS2 и этанол, и сублимационной сушки сольватированных пленок rGO с пропиткой серой для получения отдельно стоящих композитных пленок rGO-S [66].

Суперконденсаторы

Хотя суперконденсаторы уступают литиевым батареям по энергоемкости, они способны обеспечить гораздо большую пиковую мощность. Это важно для различных применений в промышленности, на транспорте и в коммуникациях. Суперконденсаторы запасают энергию в двойном электрическом слое (ДЭС) [101], образованном ионами жидкого, твердого или ионно-жидкого электролита, накапливающимися на поверхности электродного материала. Поэтому материал электрода должен быть химически инертным, иметь максимально возможную удельную площадь и открытую пористую структуру. Он также должен иметь наименьшее сопротивление и механическую прочность, чтобы обеспечить максимальное количество циклов заряда-разряда при максимальном значении тока.

rGO является хорошим кандидатом на электродный материал для EDLC нового поколения. Основной проблемой, которую необходимо решить, является нестабильность пористой структуры, связанная с повторной укладкой атомарно тонких листов rGO [101, 102]. Решение может заключаться в создании композиционного материала из ОГ и проводящих наночастиц, которые формируют желаемую пористую структуру и предотвращают наслоение [103–105].

Мембраны

Пористая структура имеет такое же значение для мембранных фильтров GO. Сегодня мембранные технологии фильтрации сточных вод и газов для разделения тяжелых металлов и СО ₂ играют все более важную роль в защите окружающей среды.

Новые результаты демонстрируют успешное применение мембран на основе функционализированных композитов ОГ с полимерами для эффективного разделения газовых смесей СО ₂ /СН ₄ и СО ₂ /N ₂ [106]. Способность мембран ОГ к ионному и молекулярному просеиванию открывает путь к разделению радиохимических отходов [107]. Также сообщалось, что среди материалов на основе графена наилучшую антимикробную активность проявляет ОГ [108]. Также было продемонстрировано, что расстояние между слоями фильтрующих мембран на основе GO можно регулировать за счет интеркалирования катионами [109].].

Адсорбенты

Помимо мембран химически модифицированный ОГ и композиты на его основе являются эффективными сорбентами для удаления из сточных вод различных загрязнений [110], в том числе ионов тяжелых металлов [111–113]. Кроме того, сорбенты на основе ОГ можно успешно регенерировать для последующего использования [114, 115].

Медицина и биология

Способность к химической модификации в сочетании с низкой цитотоксичностью [116] открывают широкие возможности ГО для биологического и медицинского применения. В более поздних публикациях сообщается об использовании химически модифицированного ГО в качестве носителя для терапии рака [117] и инструмента для генной терапии рака, основанного на интерференции рибонуклеиновой кислоты (РНК) [118]. Комбинация GO с квантовыми точками AgInZnS дает перестраиваемую фотолюминесценцию и может быть использована для vivo оптическая визуализация раковых клеток и для фототерапии [119].

Сенсоры для химии и биологии

Контролируемое удельное сопротивление частично восстановленных пленок ОГ и хорошая способность к химической функционализации являются ключевым свойством для создания химических и биологических сенсоров для широкого спектра применений [120]. Из-за резкой зависимости удельного сопротивления многослойных пленок ОГ от количества и состава химических реагентов на их поверхности конструкция сенсора может быть очень простой. Обычно он состоит из пленки и пары металлических контактов. Для повышения чувствительности можно сконструировать более сложную структуру полевого транзистора [121]. Для селективной чувствительности поверхность может быть модифицирована частицами катализатора или химическими агентами для улучшения переноса заряда от детектирующего агента к слою GO. Было успешно продемонстрировано, что ОГ является хорошим сенсором для водорода [122], диоксида азота [123], влажности [124, 125].

Сверхчувствительный датчик для мониторинга бисфенолов в окружающей среде был изготовлен с использованием нанокомпозита наночастиц золота/b-циклодекстрина, функционализированного восстановленным оксидом графена, в качестве чувствительного элемента [126, 127]. С использованием нового нанокомпозитного Ni(OH)(2)@PEDOT-rGO был успешно изготовлен сверхбыстро реагирующий и высокочувствительный электрохимический сенсор глюкозы [128]. Также стоит упомянуть прекрасный колориметрический датчик pH на основе чувствительного оксида графена, интегрированного в полимер с квантовыми точками [129].]. Использование ферментативных реакций — это новый подход к селективным био- и химическим сенсорам. Основной принцип работы ферментативных биосенсоров представлен на рисунке 4D [67]. Сенсоры, использующие ферменты, могут обнаруживать различные соединения с высокой специфичностью, которые иначе было бы трудно обнаружить в сложных смесях. Например, эти датчики могут быть особенно полезны для обнаружения таких соединений, как фенолы, перекись водорода, 17β-эстрадиол, глюкоза и билирубин. Очевидно, что разнообразие химических сенсоров с каждым годом растет благодаря неограниченным возможностям химической модификации ОГ и возможности включения в нанокомпозиты.

Микроволновые поглотители

Еще одна заметная ветвь современных применений GO и rGO — микроволновые поглотители для защиты окружающей среды от электромагнитных помех (EMI). Для микроволнового поглощения используются аэрогели губок [130] ОГ и рГО. Результаты демонстрируют трехмерные композиты с углеродными нанотрубками/ферритом цинка [131], ZnO [132] и с нанолистами Co ₃ O ₄ [133].

Выводы и перспективы

Хотя GO (rGO) является ближайшим родственником графена, благодаря своим уникальным свойствам он занимает самостоятельное место в семействе графенов. Этот материал имеет широкую область применения и перспективное будущее. На рис. 5 можно увидеть разнообразие современных и перспективных приложений ГО и РГО. Краткий обзор не в состоянии охватить весь спектр его свойств и приложений. Его задача состоит в том, чтобы выявить наиболее перспективные направления и сосредоточить усилия исследователей в области ГО. Несомненно, в последние годы внимание исследователей сместилось в сторону применения ГО и его производных. Наиболее перспективные, востребованные и поддерживаемые направления лежат в области сбора и хранения энергии, охраны окружающей среды, биологии и медицины. Как было показано выше, в указанных областях исследования ГО наиболее успешны и плодотворны. Однако, несмотря на хорошее понимание структуры и основных свойств ОГ, некоторые вопросы, касающиеся основ обратимого превращения графеновой плоскости в ее окисленное состояние, все еще ждут ответов.

Рисунок 5 . Современные и перспективные применения ГО и РГО. Размер блоков дает оценку количества научных публикаций за последние 2 года в соответствующих областях. По данным Web of Science.

Актуальной остается проблема детального понимания процесса восстановления регулярной структуры графена на краях доменов путем регибридизации при восстановлении ОГ. Вероятно, это могло бы помочь решить проблему дефектов графеновой плоскости. Это также могло бы помочь в ближайшей разработке эффективного химического метода получения идеального однослойного графена с неограниченной площадью.

Он расширит область применения и откроет современную индустрию графеновых технологий.

Вклад автора

AD и AV тщательно описали содержание рецензии и написали всю рукопись.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 18-29-19159). Авторы благодарят М. К. Рабчинского за полезные обсуждения.

Каталожные номера

1. Park S, Ruoff RS. Химические методы получения графенов. Нац. нанотехнолог. (2010) 5 : 217–24. doi: 10.1038/nnano.2010.69

Полный текст CrossRef | Google Scholar

2. Чен Д., Фэн Х., Ли Дж. Оксид графена: получение, функционализация и электрохимические применения. Chem Rev. (2012) 112 : 6027–53. doi: 10.1021/cr300115g

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

3. Tang L, Li X, Ji X, Teng KS, Tai G, Ye J и др. Восходящий синтез крупномасштабных нанолистов оксида графена. J Mater Chem. (2012) 22 :5676–83. doi: 10.1039/c2jm15944a

CrossRef Полный текст | Google Scholar

4. Liu Y, Chen Y. Синтез крупномасштабного оксида графена с использованием метода химического осаждения из паровой фазы с усилением плазмы и его применение для определения влажности. J Appl Physics (2016) 119 :103301. doi: 10.1063/1.4942999

Полный текст CrossRef | Google Scholar

5. Bianco A, Cheng H-M, Enoki T, Gogotsi Y, Hurt RH, Koratkar N, et al. Все в семействе графенов — рекомендуемая номенклатура для двумерных углеродных материалов. Carbon (2013) 65 :1–6. doi: 10.1016/j.carbon.2013.08.038

CrossRef Полный текст | Google Scholar

6. Гейм А.К. Предыстория графена. Физ. скр. (2012) Т146:014003. doi: 10.1088/0031-8949/2012/T146/014003

Полный текст CrossRef | Google Scholar

7. Гейм А.К., Новоселов К.С. Расцвет графена. Нат.матер. (2007) 6 : 183–91. doi: 10.1038/nmat1849

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

8. Чен В., Ян Л., Бангал П.Р. Получение графена путем быстрого и мягкого термического восстановления оксида графена, вызванного микроволнами. Карбон (2010) 48 :1146–52. doi: 10.1016/j.carbon.2009.11.037

CrossRef Полный текст | Google Scholar

9. Маркано Д.С., Косынкин Д.В., Берлин Дж.М., Синицкий А., Сун З., Слесарев А. и др. Улучшенный синтез оксида графена. ACS Nano (2010) 4 :4806–14. doi: 10.1021/nn1006368

CrossRef Full Text

10. Singh RK, Kumar R, Sing DP. Оксид графена: стратегии синтеза, восстановления и передовых приложений. RSC Adv. (2016) 6 :64993. doi: 10.1039/C6RA07626B

Полный текст CrossRef | Google Scholar

11. Донг Л., Ян Дж., Чховалла М. , Лох К.П. Синтез и восстановление листов оксида графена большого размера. Chem Soc Rev. (2017) 46 :7306–16. doi: 10.1039/C7CS00485K

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

12. Лин С., Донг Л., Чжан Дж., Лу Х. Интеркаляция при комнатной температуре и ~1000-кратное химическое расширение для масштабируемого получения высококачественного графена. Хим. матер. (2016) 28 :2138–46. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b05043

Полный текст CrossRef | Google Scholar

13. Эриксон К., Эрни Р., Ли З., Алем Н., Ганнетт В., Зеттл А. Определение локальной химической структуры оксида графена и восстановленного оксида графена. Adv Mater. (2010) 22 : 4467–72. doi: 10.1002/adma.201000732

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

14. Гао В., Алемани Л.Б., Си Л., Аджаян П.М. Новое понимание структуры и восстановления оксида графита. Нац. хим. (2009) 1 :403–8. doi: 10.1038/nchem.281

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

15. Лерф А., Хе Х., Форстер М., Клиновски Дж. Новый взгляд на структуру оксида графита. J Phys Chem B (1998) 102 :4477–82. doi: 10.1021/jp9731821

CrossRef Полный текст | Google Scholar

16. Паредес Д.И., Вильяр-Родил С., Солис-Фернандес П., Мартинес-Алонсо А., Таскон Д.М.Д. Атомно-силовая и сканирующая туннельная микроскопия изображений графеновых нанолистов, полученных из оксида графита. Ленгмюр (2009) 25 : 5957–68. doi: 10.1021/la804216z

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

17. Донг Л., Чен З.С., Линь С., Ван К., Ма С., Лу Х.Б. Получение сверхбольшого оксида графена с регулируемой реакционной способностью путем химического расширения графита. Хим. матер. (2017) 29 : 564–72. doi: 10. 1021/acs.chemmater.6b03748

Полный текст CrossRef | Google Scholar

18. Cai W, Piner RD, Stadermann FJ, Park S, Shaibat MA, Ishii Y, et al. Синтез и твердотельная ЯМР-структурная характеристика 13С-меченого оксида графита. Science (2008) 321 : 1815–17. doi: 10.1126/science.1162369

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

19. Casabianca LB, Shaibat MA, Cai WW, Park S, Piner R, Ruoff RS, et al. Структурное моделирование оксида графита на основе ЯМР с использованием многомерного твердотельного ЯМР 13C и расчетов химического сдвига ab initio . J Am Chem Soc. (2010) 132 : 5672–76. doi: 10.1021/ja43

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

20. Гангули А., Шарма С., Папаконстантину П., Гамильтон Дж. Исследование термического деоксигенирования оксида графена с использованием рентгеновской спектроскопии высокого разрешения in situ . J Phys Chem C (2011) 115 :17009–19. doi: 10.1021/jp203741y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

21. Lee DW, De Los Santos LV, Seo JW, Felix LL, Bustamante A, Cole DJM и другие. Строение оксида графита: исследование химических групп его поверхности. J Phys Chem B (2010) 114 :5723–28. doi: 10.1021/jp1002275

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

22. Маттеви С., Эда Г., Аньоли С., Миллер С., Мхоян К.А., Челик О. и др. Эволюция электрических, химических и структурных свойств прозрачных и проводящих тонких пленок химически полученного графена. Усовершенствованный функциональный мастер. (2009) 19 : 2577–83. doi: 10.1002/adfm.2006

Полный текст CrossRef | Академия Google

23. Саксена С., Тайсон Т.А., Негусс Э. Исследование локальной структуры оксида графена. J Phys Chem Lett. (2010) 1 :3433–37. doi: 10. 1021/jz1014339

CrossRef Полный текст | Google Scholar

24. Lee V, Whittaker L, Jaye C, Baroudi KM, Fischer DA, Banerjee S. Химически модифицированные графеновые пленки большой площади: электрофоретическое осаждение и характеристика с помощью спектроскопии поглощения мягкого рентгеновского излучения. Хим. матер. (2009) 21 : 3905–16. doi: 10.1021/cm

4p

Полный текст CrossRef | Google Scholar

25. Gandhiraman RP, Nordlund D, Javier C, Koehne JE, Chen B, Meyyappan M. Исследование поглощения рентгеновских лучей нанокомпозитами из оксида графена и оксида переходного металла. J Phys Chem C (2014) 118 :18706–12. doi: 10.1021/jp503941t

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

26. Багри А., Маттеви С., Ацик М., Чабал Ю.Дж., Чховалла М., Шеной В.Б. Структурная эволюция при восстановлении химически полученного оксида графена. Нац. хим. (2010) 2 : 581–7. doi: 10.1038/nchem.686

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

27. Acik M, Lee G, Mattevi C, Pirkle A, Wallace RM, Chhowalla M, et al. Роль кислорода при термическом восстановлении оксида графена изучена методом инфракрасной абсорбционной спектроскопии. Phys Chem C (2011) 115 :19761–81. doi: 10.1021/jp2052618

Полный текст CrossRef | Google Scholar

28. Si Y, Samulski ET. Синтез водорастворимого графена. Нано Летт. (2008) 8 : 1679–82. doi: 10.1021/nl080604h

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

29. Кудин К.Н., Озбас Б., Шнипп Х.К., Прюдом Р.К., Аксай И.А., Кар Р. Спектры комбинационного рассеяния оксида графита и листов функционализированного графена. Нано Летт. (2008) 8 : 36–41. doi: 10.1021/nl071822y

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

30. Fujii S, Enoki T. Ароматический секстет Клара и распределение p-электронов в нанографене. Angew Chem Int Ed. (2012) 51 :7236–41. doi: 10.1002/anie.201202560

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

31. Мхоян К.А., Контриман А.В., Силкокс Д.Д., Стюарт А., Эда Г., Маттеви С. и др. Атомная и электронная структура оксида графена. Нано Летт. (2009) 9 : 1058–63. doi: 10.1021/nl8034256

Полный текст CrossRef | Google Scholar

32. Кумар П.В., Бардхан Н.М., Тонгай С., Ву Дж., Белчер А.М., Гроссман Дж.К. Масштабируемое улучшение свойств оксида графена за счет термического фазового превращения. Нац. хим. (2014) 6 : 151–8. doi: 10.1038/nchem.1820

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

33. Эда Г., Лин Ю.Ю., Маттеви С., Ямагучи Х., Чен Х.А., Чен И.С. и др. Голубая фотолюминесценция химически полученного оксида графена. Adv Mater. (2009) 21 : 1–5. doi: 10.1002/adma.200

6

Полный текст CrossRef | Google Scholar

34. Дрейер Д.Р., Парк С., Белавски К.В., Руофф Р.С. Химия оксида графена. Chem Soc Rev. (2010) 39 : 228–40. doi: 10.1039/B

3G

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

35. Неклюдов В.В., Хафизов Н.Р., Седов И.А., Димиев А.М. Новое понимание растворимости оксида графена в воде и спиртах. Phys Chem Chem Phys. (2017) 19 :17000–8. doi: 10.1039/C7CP02303K

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

36. Кравец В.Г., Маршалл О.П., Наир Р.Р., Текрей Б., Жуков А., Ленг Дж. и др. Инженерно-оптические свойства метаматериала из оксида графена, собранного в микрофлюидных каналах. Опт Экспресс (2015) 23 :1266–75. doi: 10.1364/OE.23.001265

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

37. Loh KP, Bao Q, Eda G, Chhowalla M. Оксид графена как химически настраиваемая платформа для оптических приложений. Нац. хим. (2010) 2 :1015–24. doi: 10.1038/nchem.907

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

38. Станкович С., Пинер Р.Д., Нгуен С.Т., Руофф Р.С. Синтез и расслоение нанопластинок оксида графена, обработанных изоцианатом. Carbon (2006) 44 : 3342–47. doi: 10.1016/j.carbon.2006.06.004

CrossRef Полный текст | Google Scholar

39. Yang HF, Shan CS, Li FH, Han DX, Zhang QX, Niu L. Ковалентная функционализация полидисперсных химически преобразованных листов графена с помощью ионной жидкости с концевыми аминогруппами. Хим. коммун. (2009) 45 :3880–2. doi: 10.1039/b

5j

Полный текст CrossRef | Google Scholar

40. Ломеда Дж. Р., Дойл К. Д., Косынкин Д. В., Хван В. Ф., Тур Дж. М. Функционализация диазонием химически преобразованных листов графена, обернутых поверхностно-активным веществом. J Am Chem Soc. (2008) 130 :16201–6. doi: 10.1021/ja806499w

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

41. Xu Y, Wang Y, Liang J, Huang Y, Ma Y, Wan X и др. Гибридный материал графена и поли(3,4-этилдиокситиофена) с высокой проводимостью, гибкостью и прозрачностью. Нано рез. (2009) 2 : 343–8. doi: 10.1007/s12274-009-9032-9

CrossRef Full Text | Google Scholar

42. Liang J, Xu Y, Huang Y, Zhang L, Wang Y, Ma Y, et al. Инфракрасные приводы из нанокомпозитов на основе графена. J Phys Chem C (2009) 113 :9921–7. doi: 10.1021/jp

4d

CrossRef Полный текст | Google Scholar

43. Weaver CL, LaRosa JM, Luo X, Cui XT. Электрически управляемая доставка лекарств из нанокомпозитных пленок оксида графена. ACS Nano (2014) 8 :1834–43. doi: 10.1021/nn406223e

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

44. Liu X, Aizen R, Freeman R, Yehezkeli O, Willner I. Мультиплексированные аптасенсоры и сенсоры амплифицированной ДНК с использованием функционализированного оксида графена: приложение для операций логических вентилей. ACS Nano (2012) 6 : 3553–63. doi: 10.1021/nn300598q

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

45. Парк С.Д., Дикин А., Нгуен С.Т., Руофф Р.С. Листы оксида графена, химически сшитые полиаллиламином. J Phys Chem C (2009) 113 :15801–4. doi: 10.1021/jp

3s

Полный текст CrossRef | Google Scholar

46. Wu M, Kempaiah R, Huang P-JJ, Maheshwari V, Liu J. Изучение адсорбции и десорбции ДНК на оксиде графена с помощью флуоресцентно меченных олигонуклеотидов. Ленгмюр (2011) 27 :2731–8. doi: 10.1021/la1037926

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

47. Пей С., Ченг Х-М. Восстановление оксида графена. Carbon (2012) 50 :3210–28. doi: 10.1016/j.carbon.2011.11.010

CrossRef Полный текст | Google Scholar

48. Уильямс Г., Сегер Б., Камат П.В. TiO ₂ — графеновые нанокомпозиты. Фотокаталитическое восстановление оксида графена с помощью УФ-излучения. АКС Нано (2008) 2 : 1487–91. doi: 10.1021/nn800251f

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

49. De Silva KKH, Huang H-H, Joshib RK, Yoshimura M. Химическое восстановление оксида графена с использованием зеленых восстановителей. Carbon (2017) 119 : 190–9. doi: 10.1016/j.carbon.2017.04.025

CrossRef Полный текст | Google Scholar

50. Wang H, Robinson JT, Li X, Dai H. Солвотермическое восстановление химически эксфолиированных листов графена. J Am Chem Soc. (2009) 131 :9910–1. doi: 10.1021/ja

1p

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

51. Li X, Wang H, Robinson JT, Sanchez H, Diankov G, Dai H. Одновременное легирование азотом и восстановление оксида графена. J Am Chem Soc. (2009) 131 : 15939–44. doi: 10.1021/ja8f

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

52. Мохан В.Б., Браун Р., Джаяраман К., Бхаттачария Д. Характеристика восстановленного оксида графена: влияние переменных восстановления на электропроводность. Mat Sci Eng B (2015) 193 : 49–60. doi: 10.1016/j.mseb.2014.11.002

Полный текст CrossRef | Google Scholar

53. Рабчинский М.К., Шнитов В.В., Дидейкин А.Т., Алексенский А.Е., Вуль С.П., Байдакова М.В. Наноразмерная перфорация оксида графена в процессе фотовосстановления в атмосфере аргона. J Phys Chem C (2016) 120 :28261–9. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b08758

Полный текст CrossRef | Google Scholar

54. Tan C, Cao X, Wu X-J, He Q, Yang J, Zhang X и др. Последние достижения в области ультратонких двумерных наноматериалов. Chem Rev. (2017) 117 : 6225–31. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00558

CrossRef Полный текст

55. Новоселов К.С., Фалько В.И., Коломбо Л., Геллерт П.Р., Шваб М.Г., Ким К. Дорожная карта для графена. Природа (2012) 490 : 192–200. doi: 10.1038/nature11458

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

56. Wu SX, Yin ZY, He QY, Huang X, Zhou XZ, Zhang H. Электрохимическое осаждение полупроводниковых оксидов на гибких, прозрачных и проводящих электродах на основе восстановленного оксида графена. (2010) J Phys Chem C. 114 :11816. doi: 10.1021/jp103696u

Полный текст CrossRef | Google Scholar

57. Eda G, Fanchini G, Chhowalla M. Ультратонкие пленки большой площади из восстановленного оксида графена как прозрачный и гибкий электронный материал. Нанотех. (2008) 3 :270–4. doi: 10.1038/nnano.2008.83

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

58. Zhang X, Yan X, Chen J, Zhao J. Крупноразмерные графеновые микролисты в качестве защитного слоя для прозрачных проводящих серебряных пленочных нагревателей из нанопроволоки. Carbon (2014) 69 : 437–43. doi: 10.1016/j.carbon.2013.12.046

CrossRef Полный текст | Google Scholar

59. Yamaguchi H, Eda G, Mattevi C, Kim HK, Chhowalla M. Высокооднородное осаждение в масштабе 300 мм однослойных и многослойных тонких пленок графена, полученных химическим путем. ACS Nano (2010) 4 :524–8. doi: 10.1021/nn

6p

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

60. Lia S, Zhang Q, Lu Y, Ji D, Zhang D, Wu J и др. Одноэтапное электрохимическое осаждение и восстановление оксида графена на электродах, напечатанных методом трафаретной печати, для обнаружения глюкозы по импедансу. Приводы Sens B (2017) 244 :290–8. doi: 10.1016/j.snb.2016.12.142

CrossRef Полный текст | Google Scholar

61. Моралес-Масис М., Де Вольф С., Вудс-Робинсон Р., Агер Дж. В., Баллиф С. Прозрачные электроды для эффективной оптоэлектроники. Adv Electron Mater. (2017) 5 :1600529. doi: 10.1002/aelm.201600529

Полный текст CrossRef | Google Scholar

62. Bae S, Kim H, Lee Y, Xu X, Park J-S, Zheng Y и др. Рулонное производство 30-дюймовых графеновых пленок для прозрачных электродов. Нац. нанотехнолог. (2010) 5 :574–8. doi: 10.1038/nnano.2010.132

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

63. Чжао Дж., Пей С., Рен В., Гао Л., Ченг Х-М. Эффективная подготовка больших площадей. Листы оксида графена для прозрачных проводящих пленок. ACS Nano (2010) 4 :5245–52. doi: 10.1021/nn1015506

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

64. Соня М., Кумар П., Пандей Дж., Шарма С.К., Сони А. Масштабируемая и зависящая от места функционализация восстановленного оксида графена для элементов схем и гибкой электроники. Carbon (2018) 128 : 172–8. doi: 10.1016/j.carbon.2017.11.087

CrossRef Полный текст | Google Scholar

65. Li X, Yu J, Wageh S, Al-Ghamdi AA, Xie J. Графен в фотокатализе: обзор. Малый (2016) 12 :6640–96. doi: 10.1002/smll.201600382

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

66. Luo S, Yao M, Lei S, Yan P, Wei X, Wang X и др. Отдельно стоящие композитные пленки из восстановленного оксида графена и серы для высокостабильных литий-серных аккумуляторов. Nanoscale (2017) 9 :4646–51. doi: 10.1039/C7NR00999B

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

67. Bahamonde J-P, Nguyen HN, Fanourakis SK, Rodrigues DF. Последние достижения в технологии биосенсоров на основе графена с применением в науках о жизни. Дж Нанобиотехнологии. (2018) 16 :75. doi: 10.1186/s12951-018-0400-z

CrossRef Full Text | Google Scholar

68. Gao M, Li L, Song Y. Струйная печать носимых электронных устройств. J Mater Chem C (2017) 5 : 2971–93. doi: 10.1039/C7TC00038C

Полный текст CrossRef | Google Scholar

69. Rogala M, Wlasny I, Dabrowski P, Kowalczyk PJ, Busiakiewicz A, Kozlowski W, et al. Надпечатки из оксида графена для гибкой и прозрачной электроники. Appl Phys Letter. (2015) 106 :041901. doi: 10.1063/1.4

3

Полный текст CrossRef | Google Scholar

70. Oh J, Yoon HS, Kim WK, Kim SJ, Lee SC, Jung Y и др. Гибкое радиочастотное соединение из восстановленного оксида графена. 2D-материалы (2018) 5 :035030. doi: 10.1088/2053-1583/aab921

Полный текст CrossRef | Google Scholar

71. Eda G, Nathan A, Wöbkenberg P, Colleaux F, Ghaffarzadeh K, Anthopoulos TD, et al. Диэлектрик затвора из оксида графена для монолитных полевых транзисторов на основе графена. Appl Phys Letter. (2013) 102 :133108. doi: 10.1063/1.4799970

Полный текст CrossRef | Google Scholar

72. Trung TQ, Tien NT, Kim D, Jang M, Yoon OJ, Lee N-E. Гибкий полевой транзистор на основе оксида графена для сверхчувствительного измерения деформации. Доп. функц. матер. (2014) 24 : 117–24. doi: 10.1002/adfm.201301845

Полный текст CrossRef | Google Scholar

73. Yang Y, Yang X, Yang W, Li S, Xu J, Jiang Y. Упорядоченные и ультратонкие LB-пленки из восстановленного оксида графена в качестве слоев для инжекции отверстий для органических светодиодов. Nanoscale Res Lett. (2014) 9 :537. doi: 10.1186/1556-276X-9-537

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

74. Jia S, Sun HD, Du JH, Zhang ZK, Zhang DD, Ma LP и др. Вертикальные гетероструктурные электроды из оксида графена/графена для высокоэффективных и гибких органических светоизлучающих диодов. Nanoscale (2016) 8 :10714–23. doi: 10.1039/C6NR01649A

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

75. Kim YS, Joo K, Jerng S-K, Lee J, Moon D, Kim J и др. Прямая интеграция поликристаллического графена в светоизлучающие диоды путем плазменного синтеза без использования металлических катализаторов. ACS Nano (2014) 8 :2230–6. doi: 10.1021/nn405477f

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

76. Han N, Cuong TV, Han M, Ryu BD, Chandramohan S, Park JB, et al. Улучшенное рассеивание тепла в светодиодах на основе нитрида галлия со встроенным рисунком из оксида графена. Нац. общ. (2013) 4 :1452. doi: 10.1038/ncomms2448

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

77. Ryu BD, Han M, Han N, Park YJ, Ko KB, Lim TH, et al. Изготовление и характеристики светодиодов на основе GaN с уменьшенным токопроводящим слоем из оксида графена. ACS Appl Mater Interfaces (2014) 6 :22451–6. doi: 10.1021/am506308t

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

78. Ассади М.К., Бахода С., Саидур Р., Ханаи Х. Недавний прогресс в перовскитных солнечных элементах. Renewable Sustain Ener Rev. (2018) 81 :2812–22. doi: 10.1016/j.rser.2017.06.088

Полный текст CrossRef | Google Scholar

79. Добржански Л.А., Прокопюк М., Прокопович В., Дрыгала А., Вежбицкая А., Лукашкович К. и соавт. Применение углеродных наноматериалов в качестве противоэлектрода для сенсибилизированных красителем солнечных элементов. Арка Metall Mater. (2017) 62 : 27–32. doi: 10.1515/amm-2017-0004

Полный текст CrossRef | Google Scholar

80. Han GS, Song YH, Jin YU, Lee JW, Park NG, Kang BK и др. Солнечные элементы на основе перовскита на основе восстановленного оксида графена/мезопористого TiO2. ACS Appl Mater Interfaces (2015) 7 :23521–6. doi: 10.1021/acsami. 5b06171

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

81. Arora N, Dar MI, Hinderhofer A, Pellet N, Schreiber F, Zakeeruddin SM, et al. Солнечные элементы на основе перовскита со слоями извлечения дырок CuSCN обеспечивают стабилизированный КПД более 20%. Наука (2017) 358 : 768–71. doi: 10.1126/science.aam5655

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

82. Yoon J, Sung H, Lee G, Cho W, Ahn N, Jung HS, et al. Сверхгибкие, высокоэффективные перовскитные солнечные элементы с графеновыми электродами: на пути к складным источникам энергии будущего. Energy Environment Sci. (2017) 10 : 337–45. doi: 10.1039/C6EE02650H

Полный текст CrossRef | Google Scholar

83. Какавелакис Г., Максудов Т., Кониос Д., Парадисанос И., Киосеоглу Г., Стратакис Э. и др. Эффективные и высокостабильные планарные инвертированные перовскитовые солнечные элементы с уменьшенным электронно-транспортным слоем PCBM, легированным оксидом графена. Доп. Энергия Матер. (2017) 7 :1602120. doi: 10.1002/aenm.201602120

Полный текст CrossRef | Google Scholar

84. Онг С.Б., Нг Л.И., Мохаммад А.В. Обзор наночастиц ZnO как солнечных фотокатализаторов: синтез, механизмы и применение. Renewable Sustain Energy Rev. (2018) 81 : 536–51. doi: 10.1016/j.rser.2017.08.020

Полный текст CrossRef | Google Scholar

85. Судха Д., Сивакумар П. Обзор фотокаталитической активности различных композитных катализаторов. Chem Eng Process Интенсификация процессов (2015) 97 : 112–33. doi: 10.1016/j.cep.2015.08.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

86. Boyjoo Y, Sun H, Liu J, Pareek VK, Wang S. Обзор фотокатализа для обработки воздуха: от разработки катализатора до конструкции реактора. Chem Eng J. (2017) 310 : 537–59. doi: 10.1016/j.cej.2016.06.090

CrossRef Полный текст | Google Scholar

87. Yang C, You X, Cheng J, Zheng H, Chen Y. Новый управляемый видимым светом композитный фотокатализатор на основе MOF/оксида графена с повышенной фотокаталитической активностью в отношении деградации амоксициллина. Appl Catal B (2017) 200 : 673–80. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.07.057

Полный текст CrossRef | Google Scholar

88. Deng F, Lu X, Pei X, Luo X, Luo S, Dionysioub DD. Изготовление композита тройного восстановленного оксида графена/SnS2/ZnFe2O4 с высокой фотокаталитической активностью и стабильностью в видимом свете. J Опасный материал. (2017) 332 : 149–61. doi: 10.1016/j.jhazmat.2017.01.058

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

89. Lin L-Y, Nie Y, Kavadiya S, Soundappan T, Biswas P. Легированный N восстановленный оксид графена, промотированный nano TiO2 в качестве бифункционального адсорбента/фотокатализатора для фотовосстановления CO2: эффект частиц N. Chem Eng J. (2017) 316 : 449–60. doi: 10.1016/j.cej.2017.01.125

CrossRef Полный текст | Google Scholar

90. Chen Y, Yang X, Kitta M, Xu Q. Монодисперсные наночастицы Pt на восстановленном оксиде графена с использованием жертвенного подхода, не содержащего благородных металлов, для гидролитического дегидрирования борана аммиака. Нано Рез. (2017) 10 :3811–6. doi: 10.1007/s12274-017-1593-4

Полный текст CrossRef | Google Scholar

91. Metin O, Can H, Sendil K, Gultekin MS, Монодисперсные наночастицы Ag/Pd ядро/оболочка, собранные на восстановленном оксиде графена, как высокоэффективные катализаторы для переноса гидрирования нитроаренов. J Коллоидный интерфейс Sci. (2017) 498 : 378–86. doi: 10.1016/j.jcis.2017.03.066

CrossRef Полный текст

92. Ланг Б., Ю Х-К. Новые наночастицы Ag2S на восстановленных листах оксида графена в качестве сверхэффективного катализатора восстановления 4-нитрофенола. Чин Чем Летт. (2017) 28 :417–21. doi: 10.1016/j.cclet.2016.10.019

Полный текст CrossRef | Google Scholar

93. Zarrinjahan A, Moghadam M, Mirkhani V, Tangestaninejad S, Mohammadpoor-Baltork I. Электронно-дефицитный порфирин олова (IV), связанный с оксидом графена: высокоэффективный и селективный катализатор триметилсилилирования спиртов и фенолов гексаметилдисилазаном. . Appl Металлоорганическая химия. (2017) 31 :e3568. doi: 10.1002/aoc.3568

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

94. Чжэн X-C, Ли Н, Ву М, Гуань X-X, Чжан X-L. Синтез биотоплива путем этерификации левулиновой кислоты над пористой твердой кислотой, состоящей из вольфрамофосфорной кислоты и восстановленного оксида графена. Res Chem Intermed. (2017) 43 :6651–64. doi: 10.1007/s11164-017-3012-6

Полный текст CrossRef | Google Scholar

95. Chen B, Sha J, Li W, He F, Liu E, Shi C, et al. Синтез микроразмерных ультратонких монокристаллических нанолистов TiO2 анатаза с помощью оксида графена и их применение в солнечных элементах, сенсибилизированных красителем. ACS Appl Mater Interfaces (2016) 8 :2495–504. doi: 10.1021/acsami.5b09058

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

96. Wang B, Jin J, Hong X, Gu S, Guo J, Wen Z. Легкий синтез сэндвич-структурированного гибрида германий/восстановленный оксид графена: усовершенствованный анодный материал для высокопроизводительных литий-ионных аккумуляторов. J Mater Chem A (2017) 5 :13430–38. doi: 10.1039/C7TA03087H

Полный текст CrossRef | Академия Google

97. Li Z, Kong D, Zhou G, Wu S, Lv W, Luo C, et al. Двухфункциональный оксид графена: прессование с Fe2O3 в анод с большой объемной емкостью для ионно-литиевой батареи. Материал для хранения энергии. (2017) 6 : 98–103. doi: 10.1016/j.ensm. 2016.09.005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

98. Huang M, Feng M, Li H, Huang P, Su Q, Zhang F, et al. Быстрый микроволновый синтез композита квантовых точек SnO2/восстановленного оксида графена с его применением в литий-ионном аккумуляторе. Матерь Летт. (2017) 209 :260–3. doi: 10.1016/j.matlet.2017.08.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

99. Lv K, Zhang Y, Zhang D, Ren W, Sun L. Наночастицы Mn3O4, встроенные в трехмерную сеть из восстановленного оксида графена, в качестве анода для высокопроизводительных литий-ионных аккумуляторов. J Mater Sci Mater Electron. (2017) 28 :14919–27. doi: 10.1007/s10854-017-7413-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

100. Peng H-J, Huang J-Q, Cheng X-B, Zhang Q. Обзор литий-серных батарей с высокой нагрузкой и высокой энергией. Adv Energy Mater. (2017) 7 :1700260. doi: 10.1002/aenm.201700260

Полный текст CrossRef | Google Scholar

101. Wang F, Wu X, Yuan X, Liu Z, Zhang Y, Fu L, et al. Последние достижения в области суперконденсаторов: от новых электродных материалов до новых конструкций устройств. Chem Soc Rev. (2017) 46 : 6816–54. doi: 10.1039/C7CS00205J

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

102. Лукацкая М.Р., Данн Б., Гогоци Ю. Многомерные материалы и архитектуры устройств для будущих гибридных накопителей энергии. Нац. общ. (2016) 7 :12647–59. doi: 10.1038/ncomms12647

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

103. Надери Х.Р., Насаб А.С., Насрабади М.Р., Ганджалия М.Р. Украшение легированного азотом восстановленного оксида графена наночастицами вольфрамата кобальта для использования в высокопроизводительных суперконденсаторах. Appl Surf Sci. (2017) 423 :1025–34. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.06.239

CrossRef Полный текст | Академия Google

104. Wang F, Li G, Zhou Q, Zheng J, Yang C, Wang Q. Одностадийный гидротермальный синтез композита NiCo2S4@восстановленного оксида графена сэндвич-типа в качестве материала активного электрода для суперконденсаторов. (2017) Appl Surf Sci. 425 :180–7. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.07.016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

105. Zou X, Zhou Y, Wang Z, Chena S, Li W, Xiang B, et al. Отдельно стоящие слоистые графеновые монолиты для долговечных суперконденсаторов. Chem Eng J. (2018) 350 : 386–94. doi: 10.1016/j.cej.2018.05.136

CrossRef Полный текст | Google Scholar

106. Виноба М., Бхагиялакшми М., Алькахим Ю., Аломаир А.А., Перес А., Рана М.С. Недавний прогресс в области наполнителей в мембранах со смешанной матрицей для отделения CO2: обзор. Сеп Пур Техн. (2017) 188 : 431–50. doi: 10.1016/j.seppur.2017.07.051

CrossRef Полный текст | Google Scholar

107. Ma F, Li Z, Zhao H, Geng Y, Zhou W, Li Q, et al. Возможное применение мембран из оксида графена для удаления Cs(I) и Sr(II) из высокоактивных жидких отходов Сен Пур Технол . (2017) 188 : 523–9.

Google Scholar

108. Мэн Ф, Чжан С, О И, Чжоу З, Шин Х-С, Че С-Р. Загрязнение мембранных биореакторов: обновленный обзор Water Res . (2017) 114 : 151–80. doi: 10.1016/j.watres.2017.02.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

109. Chen L, Shi G, Shen J, Peng B, Zhang B, Wang Y, et al. Ионное просеивание в мембранах из оксида графена посредством катионного контроля межслоевого расстояния. Природа (2017) 550 :380–3. doi: 10.1038/nature24044

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

110. Wang S, Li X, Liu Y, Zhang C, Tan X, Zeng G и другие. Азотсодержащие аминосоединения, функционализированные оксидом графена: синтез, характеристика и применение для удаления загрязняющих веществ из сточных вод: обзор. J Опасный материал. (2018) 342 : 177–91. doi: 10.1016/j.jhazmat.2017.06.071

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

111. Peng W, Li H, Liu Y, Song S. Обзор адсорбции ионов тяжелых металлов из воды оксидом графена и его композитами. Дж мол. жидк. (2017) 230 : 496–504. doi: 10.1016/j.molliq.2017.01.064

CrossRef Полный текст | Google Scholar

112. Sun Y, Wang X, Song W, Lu S, Chen C, Wang X. Механическое понимание дезактивации Th(IV) композитов на основе оксида графена с помощью EXAFS и методов моделирования. Environ Sci Nano (2017) 4 :222–32. doi: 10.1039/C6EN00470A

Полный текст CrossRef | Google Scholar

113. Yu S, Wang J, Song S, Sun K, Li J, Wang X и др. Однореакторный синтез нанокомпозитов из оксида графена и слоистых двойных гидроксидов Ni-Al для эффективного удаления U(VI) из сточных вод. Sci China Chem. (2017) 60 : 415–22. doi: 10.1007/s11426-016-0420-8

CrossRef Full Text | Google Scholar

114. Wang J, Li Y, Chen W, Peng J, Hu J, Chen Z, et al. Быстрая коагуляция оксида графена на слоистых двойных гидроксидах, легированных La. Chem Eng J. (2017) 309 : 445–53. doi: 10.1016/j.cej.2016.10.053

CrossRef Полный текст | Google Scholar

115. Qi Y, Yang M, Xu W, He S, Men Y. Оксид графена, модифицированный природными полисахаридами, для адсорбции органических красителей из водных растворов. J Коллоидный интерфейс Sci. (2017) 486 : 84–96. doi: 10.1016/j.jcis.2016.09.058

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

116. Zhang L-N, Deng H-H, Lin F-L, Xu X-W, Weng S-H, Liu A-L и другие. Рост in situ пористых наночастиц платины на оксиде графена для колориметрического обнаружения раковых клеток. Анальная хим. (2014) 86 :2711–8. doi: 10.1021/ac404104j

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

117. Ma N, Liu J, He W, Li Z, Luan Y, Song Y, Garg S. Оксид графена, украшенный альбумином бычьей сыворотки с привитым фолиевой кислотой: эффективный носитель лекарств для таргетной терапии рака. J Коллоидный интерфейс Sci. (2017) 490 :598–607. doi: 10.1016/j.jcis.2016.11.097

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

118. Ren L, Zhang Y, Cui C, Bi Y, Ge X. Функционализированный оксид графена для доставки миРНК против VEGF: подготовка, характеристика и оценка in vitro и in vivo . RSC Adv. (2017) 7 :20553–66. doi: 10.1039/C7RA00810D

Полный текст CrossRef | Google Scholar

119. Zang Z, Zeng X, Wang M, Hu W, Liu C, Tang X. Настраиваемая фотолюминесценция водорастворимых нанокомпозитов AgInZnS–графеноксид (GO) и их применение для биоимиджинга in vivo. Приводы Sens B (2017) 252 :1179–86. doi: 10.1016/j.snb.2017.07.144

CrossRef Полный текст | Google Scholar

120. Жустино CIL, Гомес А.Р., Фрейтас А.С., Дуарте А.С., Роша-Сантос ТАП. Сенсоры и биосенсоры на основе графена. Trends Anal Chem. (2017) 91 : 53–66. doi: 10.1016/j.trac.2017.04.003

Полный текст CrossRef | Google Scholar

121. Yu C, Chang X, Liu J, Ding L, Peng J, Fang Y. Создание полевых транзисторов на основе восстановленного оксида графена и их использование для обнаружения и распознавания нуклеозидтрифосфатов. ACS Appl Mater Interfaces (2015) 7 :10718–26. doi: 10.1021/acsami.5b00155

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

122. Ван Дж., Рати С., Сингх Б., Ли И., Джо Х-И, Ким Г-Х. Оптимизация диэлектрофореза переменного тока наноструктур оксида графена, декорированных Pt, для опытного датчика газообразного водорода. ACS Appl Mater Interfaces (2015) 7 :13768–75. doi: 10.1021/acsami.5b01329

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

123. Ли С.В., Ли В., Хонг И., Ли Г., Юн Д.С. Последние достижения в области датчиков газа NO2 на основе углеродных материалов. Приводы Sens B (2018) 255 :1788–804. doi: 10.1016/j.snb.2017.08.203

CrossRef Полный текст | Google Scholar

124. Yu H-W, Kim HK, Kim T, Bae KM, Seo SM, Kim J-M и др. Датчик влажности с автономным питанием на основе композитной пленки на основе оксида графена, интеркалированной поли(4-стиролсульфонатом натрия). Интерфейсы приложений ACS (2014) 6 :8320–6. doi: 10.1021/am501151v

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

125. Rathi K, Pal K. Влияние допинга на GO: датчик влажности с быстрым откликом и восстановлением. СКД Омега (2017) 2 :842–51. doi: 10.1021/acsomega.6b00399

Полный текст CrossRef | Google Scholar

126. Yun Y. Электрохимический сенсор для сверхчувствительного определения бисфенола А на основе нанокомпозита восстановленного оксида графена, функционализированного наночастицами золота/β-циклодекстрином. Int J Electrochem Sci. (2016) 11 :2778–89. doi: 10.20964/110402778

CrossRef Полный текст | Google Scholar

127. Дханджай С.А., Ву Л., Лу С., Чен Дж., Джайн Р. Достижения в области обнаружения и биозондирования бисфенолов: обзор. Anal Chim Acta (2018) 998 : 1–27. doi: 10.1016/j.aca.2017.09.048

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

128. Sheng L, Li Z, Meng A, Xu Q. Сверхбыстродействующий и высокочувствительный датчик глюкозы без ферментов на основе нового нанокомпозита Ni(OH)(2)@PEDOT-rGO. Приводы Sens B (2018) 254 :1206–15. doi: 10.1016/j.snb.2017.08.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

129. Пэк К., Ян Х., Ли Дж., Пак Дж., Ким Б.Дж. Эффективный колориметрический датчик pH на основе чувствительного оксида графена, интегрированного в полимер с квантовыми точками. ACS Nano (2014) 8 : 2848–56. doi: 10. 1021/nn406657b

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

130. Chabot V, Higgins D, Yu A, Xiao X, Chenand Z, Zhang J. Обзор графена и губки из оксида графена: синтез материала и применение в энергетике и окружающей среде. Energy Environment Sci. (2014) 7 :1564–96. doi: 10.1039/c3ee43385d

Полный текст CrossRef | Google Scholar

131. Shu R, Zhang G, Zhang J, Wang X, Wang M, Gan Y, et al. Изготовление гибридных композитов из восстановленного оксида графена/многостенных углеродных нанотрубок/феррита цинка в качестве высокоэффективных поглотителей микроволн. J сплавы комп. (2018) 736 : 1–11. doi: 10.1016/j.jallcom.2017.11.084

Полный текст CrossRef | Академия Google

132. Zheng YD, Luo ZB, Liao Q, Liu S, Liu Y, Zhang Y. Исследование свойств и механизма поглощения широкополосных электромагнитных волн композитом Co3O4-нанолисты/восстановленный оксид графена. Нано рез. (2017) 10 :980–90. doi: 10.1007/s12274-016-1357-6

Полный текст CrossRef | Google Scholar

133. Song C, Yin X, Han M, Li X, Hou Z, Zhang L и др. Трехмерная восстановленная пена из оксида графена, модифицированная нанопроволоками ZnO для улучшения свойств поглощения микроволнового излучения. Carbon (2017) 116 : 50–8. doi: 10.1016/j.carbon.2017.01.077

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Графен продолжает удивлять нас своей интересной физикой

Исследователи из Массачусетского технологического института и их коллеги недавно обнаружили важное и неожиданное электронное свойство графена, материала, часто используемого в медицине, который продолжает удивлять ученых своей интересной физикой.

Аманда Педерсен | 11 февраля 2021 г.

Еще в 2004 году Андрей Гейм и Константин Новоселов открыли графен, и всего через несколько лет инженеры-медики с ума сходили по графену.

Графен представляет собой лист толщиной в один атом, состоящий из углерода, расположенного в виде шестиугольника или сотовой решетки. Сегодня этот материал используется в самых разных медицинских целях, и кажется, что ученые все еще открывают новые свойства этого чудо-материала. Совсем недавно исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и их коллеги из других университетов обнаружили неожиданное электронное свойство графена.

Работа под руководством Массачусетского технологического института, которая включает в себя структуры, состоящие из атомарно тонких слоев материалов, которые также являются биосовместимыми, может открыть новые, более быстрые парадигмы обработки информации. Одно из возможных применений — нейроморфные вычисления, целью которых является воспроизведение нейронных клеток в организме, отвечающих за все, от поведения до воспоминаний.

В работе также представлена ​​новая физика, которую исследователи с нетерпением ждут.

«Гетероструктуры на основе графена продолжают преподносить удивительные сюрпризы. Наше наблюдение нетрадиционного сегнетоэлектричества в этой простой и ультратонкой системе бросает вызов многим преобладающим предположениям о сегнетоэлектрических системах и может проложить путь для целого поколения новых сегнетоэлектрических материалов», — сказал Пабло Харилло-Эрреро, профессор физики Массачусетского технологического института. и руководитель работы, которая включала сотрудничество с пятью другими преподавателями Массачусетского технологического института из трех отделов.

Новое свойство графена

С момента открытия материала ученые показали, что различные конфигурации слоев графена могут приводить к целому ряду важных свойств. Структуры на основе графена могут быть либо сверхпроводниками, проводящими электричество без сопротивления, либо изоляторами, препятствующими движению электричества. Было обнаружено, что они даже проявляют магнетизм.

В этой работе, о которой сообщалось в журнале Nature , исследователи показывают, что двухслойный графен также может быть сегнетоэлектрическим. Это означает, что положительные и отрицательные заряды в материале могут спонтанно разделяться на разные слои.

В большинстве материалов противоположные заряды притягиваются друг к другу; они хотят объединиться. Только приложение электрического поля заставит их оказаться на противоположных сторонах или полюсах. В сегнетоэлектрическом материале внешнее электрическое поле не требуется, чтобы держать заряды разделенными, что приводит к спонтанной поляризации. Однако приложение внешнего электрического поля имеет эффект: электрическое поле противоположного направления заставит заряды поменяться сторонами и изменить поляризацию.

По всем этим причинам ферроэлектрические материалы используются в различных электронных системах, от медицинских ультразвуковых аппаратов до радиочастотных идентификационных карт. Однако обычные сегнетоэлектрики являются изоляторами. Сегнетоэлектрик на основе графена работает с помощью совершенно другого механизма — другой физики, — который позволяет ему проводить электричество. И это открывает множество дополнительных приложений.

«Мы обнаружили здесь новый тип сегнетоэлектрического материала», — сказал Чжижэнь «Исаак» Чжэн, аспирант Массачусетского технологического института по физике и первый автор Природа бумага.

Цюн Ма, доктор философии, соавтор статьи и доцент Бостонского колледжа, рассматривает работу в перспективе. Ма проводил текущую работу в качестве постдока в Лаборатории исследования материалов Массачусетского технологического института.

«Есть проблемы, связанные с обычными сегнетоэлектриками, над решением которых люди работают. Например, сегнетоэлектрическая фаза становится нестабильной по мере того, как устройство продолжает миниатюризироваться. С нашим материалом некоторые из этих проблем могут быть решены автоматически», — сказал Ма.

Команда создала структуру, состоящую из двух слоев графена — двухслойного — зажатого между атомарно тонкими слоями нитрида бора (BN) сверху и снизу. Каждый слой BN находится под немного другим углом. Если смотреть сверху, в результате получается уникальный узор, называемый муаровой сверхрешеткой. По словам Чжэн, муаровый узор, в свою очередь, может кардинально изменить свойства материала.

Группа Харилло-Эрреро продемонстрировала важный пример этого в 2018 году. В этой работе также сообщается в Nature , исследователи уложили два слоя графена. Однако эти слои не располагались точно друг над другом; скорее, один был слегка повернут на «магический угол» в 1,1 градуса. Полученная структура создавала муаровый узор, который, в свою очередь, позволял графену быть либо сверхпроводником, либо изолятором в зависимости от количества электронов в системе, создаваемого электрическим полем. По сути, команда смогла настроить графен так, чтобы он вел себя в двух электрических крайностях.

«Итак, создав эту муаровую структуру, графен больше не является графеном. Он почти волшебным образом превращается во что-то   очень, очень иное, — сказала Ма.

В текущей работе исследователи создали муаровый узор из листов графена и нитрида бора, что привело к новой форме сегнетоэлектричества. Физика, связанная с движением электронов через структуру, отличается от физики обычных сегнетоэлектриков.

Исследователи планируют продолжить свою работу, демонстрируя потенциал нового материала для различных приложений, а также улучшая понимание его физики.

«Есть еще много загадок, которые мы не до конца понимаем и которые в принципе очень интригуют», — сказала Ма.

У графена много братьев и сестер

С момента открытия графена ученые сообщали об открытиях, связанных с материалами, описанными как родственники удивительного материала, такого как фаграфен.

Обнаруженный исследователями из России, США и Китая фараграфеновый материал обладает всеми свойствами графена, что позволяет считать его передовым материалом для гибких электронных устройств, транзисторов, солнечных батарей, дисплеев и многого другого. Однако материал должен вести себя по-другому, поскольку скорость электронов, проходящих через него, зависит от направления, в котором они вводятся в материал. В этом отношении графен отличается, как заявили в то время исследователи, участвовавшие в этой работе.

«Фараграфен состоит из пента-, гекса- и семиугольных углеродных колец», — сказал Артем Оганов, ведущий исследователь проекта по фараграфену. Он также отметил, что название происходит от сокращения Penta-Hexa-heptA-graphne.

Графен ценится за его низкую стоимость, простоту использования, гибкую структуру, высокую оптическую прозрачность и значительную механическую прочность. Однако привлекательность материала коренится в его превосходной электрической и теплопроводности. Электропроводность графена в 100 раз выше, чем у кремния, а его теплопроводность колеблется в пределах 3500-5300 Вт/мК по сравнению со 130 Вт/мК у кремния9.0075 MD+DI , о котором сообщалось в 2009 году.

На протяжении многих лет ученые также рекламировали антимикробные свойства графена и его способность придавать наночастицам золота некоторую стабильность. В 2013 году в MD+DI сообщалось о нанокомпозите графена и меди, разработанном международной группой исследователей, который в 500 раз прочнее чистого металла. Родственный материал, сплав графена и никеля, в 180 раз прочнее чистого металла. Ученые создали материал, покрыв металл однослойным графеном. Для этого они использовали химическое осаждение из паровой фазы, чтобы создать, как сообщается, первый многослойный композит металл-графен.

Разглаживание складок графена

Несмотря на все свои удивительные свойства и области применения, графен не лишен складок. Буквально.

Как сообщает MD+DI в 2011 году, электрические свойства этого удивительного материала в значительной степени зависят от его ровности и чистоты. Используя комбинацию сложного компьютерного моделирования и передовых методов анализа материалов в синхротронных лабораториях, исследователи продемонстрировали, как некоторые относительно простые дефекты обработки могут серьезно ухудшить электрические свойства материала.

Их работа показала, как морщины на графеновом листе и/или случайные загрязнители от обработки — возможно, скрывающиеся в этих складках — нарушают и замедляют поток электронов по листу. Результаты могут быть важны для разработки коммерческих производственных процессов, использующих уникальные электрические свойства графена. По крайней мере, в случае с загрязняющими молекулами ученые предполагают, что простое нагревание материала может решить проблему.

ТЕГИ: НИОКР Проектирование и проектирование

Крестный отец графена | The Economist

12 августа 2014

Джайлз Уиттелл

За год до распада Советского Союза, в декабре 1990 года, молодой русский физик прибыл на Ноттингемский вокзал с очень небольшими деньгами и очень плохим английским языком. У него был крепкий взгляд, широкая улыбка и «интересная, но не потрясающая работа» на его имя по тонкопленочным сверхпроводникам. Такова была оценка Питера Майна, профессора Ноттингемского университета, встретившего его на вокзале. Освобожден от Советского Союза к glasnost , Гость Майна был полон решимости построить карьеру в Европе и произвести впечатление. Он был на шестимесячной стипендии, и большую часть этих шести месяцев он работал по сто часов в неделю. Он пытался рассмешить коллег-исследователей, но без особого успеха. Мэйн вспоминает, что он вызвал сбой важного компьютера физического факультета и что «примерно через две недели я был единственным оставшимся человеком, который был готов работать с ним».

Оглядываясь назад, профессор сэр Андре Гейм задался вопросом, не его ли акцент раздражает его новых коллег. Оно по-прежнему сильное, с гортанным «р», которое в России часто выдает этнические немецкие корни, но Майн считает, что то, что задело людей не в ту сторону, было проще и глубже — насущная, бросающаяся в глаза потребность Гейма проявить себя. «У него были некоторые проблемы с социальной адаптацией, — говорит Мэйн, — что интересно, потому что позже он стал центром социальной жизни в своем отделе».

Кафедра Манчестерского университета, где с тех пор обосновался Гейм, специализируется в области науки, которая еще десять лет назад не была в моде, но теперь является магнитом для многих лучших умов планеты. Группа физики конденсированного состояния занимает пару этажей функционального блока в двух милях к востоку от Олд Траффорд. Там команда Гейма изучает экстраординарные свойства двумерных материалов, о существовании которых никто не знал, пока он не открыл их миру.

Его юмор лучше воспринимается в коридорах CMPG, чем в Ноттингеме. Или, по крайней мере, ему доставляет огромное удовольствие, скажем, собрать вместе пару индийских и пакистанских постдоков и назвать их обоих «кашмирцами». Ему это сходит с рук, потому что это смешно, и, возможно, из-за статуса, который он приобрел в своей приемной стране. Четыре года назад он стал необычайно молодым лауреатом Нобелевской премии по физике. (Ему было 52 года, но молодость в интеллектуальной стратосфере относительна. Он считает, что является одним из 30 ныне живущих лауреатов Нобелевской премии, не страдающих слабоумием.) С тех пор он был принят как герой российской науки членами правящей элиты президента Путина и как воплощение британской экономики знаний 21-го века благодарным коалиционным правительством. Неформально он был возведен в ранг публичного интеллектуала, который более популярен во Франции, чем в Британии, и, вероятно, более опасен в Британии, чем во Франции. Не то чтобы он возражал против риска. «Политкорректность не входит в число моих пороков, — рычит он. «Я принимаю, что моя роль в обществе состоит в том, чтобы нарушать плавный поток».

В биографиях, которые поклонники Гейма надеются прочесть о нем, он будет не просто ученым. Он станет основателем новой экономики. Как и Джеймс Уатт 230 лет назад, он станет человеком, стоящим за прорывом, изменившим все. Благодаря Гейму, это видение подтверждается, экономика будет полностью перестроена в течение следующих нескольких десятилетий, чтобы включить чудесную прочность, легкость, гибкость и электропроводность графена, углеродного листа толщиной в один атом, который он и сообразительный студент были первыми, кто попал между их пинцетом и под микроскопом.

Графен на данный момент — дело всей жизни Гейма. Это то, чем он известен. Это причина того, что рядом с его офисом строится новый элегантный исследовательский центр стоимостью 61 миллион фунтов стерлингов для сотен исследовательских групп и тысяч патентов и патентных заявок. Apple экспериментирует с графеном для радиаторов своих аккумуляторов, Saab для защиты от обледенения, Lockheed для опреснения воды. У Марии Шараповой и Новака Джоковича это в головах теннисных ракеток. Сам Гейм предложил использовать большие объемы чешуек графена, чтобы остановить просачивание радиоактивного теплоносителя из обреченных реакторов Фукусимы. Стимулы для коммерциализации графена безграничны в том смысле, что нет предела его возможной стоимости, хотя можно предположить, что 30 миллиардов фунтов стерлингов в год. Давление на британских ученых с целью воспользоваться этой возможностью было сильным, и Гейм не устоял.

Когда я впервые встретился с ним два года назад, он сказал, что 50 миллионов фунтов стерлингов, выделенные британским правительством на исследования графена, «даже не конкурентоспособны» с суммами, выделенными в Сингапуре и Южной Корее. С тех пор лихорадка немного поутихла. Гейм меньше беспокоится о грубых инвестициях и более оптимистичен в отношении качества британских графеновых стартапов. Со своей стороны, он пытается двигаться дальше. Он знает, что графен — это великий проект прикладной науки того времени, но не хочет, чтобы он определял его. Он знает, что Национальный институт графена должен быть благом для Манчестера, но предоставляет другим управлять им. Он исследует границы двумерной кристаллографии, чтобы увидеть, где они могут привести к совершенно новым областям открытий. Например, он просматривает молекулярный горизонт в поисках способов достижения сверхпроводимости при комнатной температуре («было бы хорошо», но пока выглядит «чрезмерно оптимистично»), и есть те, кто начал роптать, что если бы он только мог найти больше времени чтобы потворствовать своей индивидуалистической полосе, он мог даже оставить позади свою первую Нобелевскую премию, выиграв вторую.

Через два месяца после того, как Гейм прибыл в Ноттингем, к нему присоединилась его жена. Был февраль, сыро. Ирина Григорьева помнит пасмурную погоду и тяжелое положение — она тоже была физиком по конденсированным состояниям, но не работала. И все же были причины для радости. В отличие от соседки-бразильянки, у них обоих были приличные шляпы. В отличие от русской зимы, английская зима рано сдалась, подтолкнув крокусы и воодушевив Григорьеву попытать счастья. Она написала в Оксфорд, Кембридж, Бристоль и Империал, предлагая провести семинары по аспектам физики твердого тела, которые она освещала в своей докторской диссертации. К ее изумлению, она получила ответы и приглашения.

В настоящее время Ирина — профессор в Манчестере, у нее есть своя ниша в исследованиях графена и офис через четыре двери по коридору от Андре. Обычно она уходит из дома раньше, чем он, чтобы отвезти дочь в школу, а ее муж использует это время, чтобы просмотреть электронную почту и глобальную базу данных рецензируемых работ по физике, прежде чем отправиться в университет. Когда он попадает туда, он руководит своим отделом, как квотербек НФЛ, чьи природные данные позволяют ему продолжать играть еще долго после того, как более слабые спортсмены были вынуждены заняться тренерской деятельностью.

«Все идеи исходят от Андре, — говорит Григорьева. «Я работаю с ним уже давно, но я до сих пор поражен тем, как работает его разум. Огромный процент его идей приводит к реальному прогрессу, что весьма необычно». По ее словам, он активно участвует примерно в четырех проектах одновременно, а в более свободной форме — еще примерно в десяти. Он всегда работает над собственной статьей и указан как автор почти всех статей, подготовленных группой.

В этой игре нет времени на базовые упражнения, то есть на обучение студентов. Ближе к концу памятного поворота на «Диках необитаемого острова» в начале этого года Гейм совершенно небрежно сказал, что он не очень любит студентов: «Они приходят совершенно невежественными и еще не выросли интересными людьми». Его явное презрение к следующему поколению ученых попало в газеты, где оно заглушило то, что он сказал дальше о тех немногих, кто выбирает серьезные исследования. «Иногда в течение двух-трех лет после получения докторской степени они растут экспоненциально быстро, набираются опыта, а затем становятся настоящими людьми», — сказал он. «И после этого мы становимся, не как профессор и студент, мы становимся как коллеги».

Он преувеличивал, говорит Григорьева, но не сильно. «Пока вы делаете что-то и развиваетесь, он будет работать с вами, [но] это немного тонет или плавает. Если он что-то предложит, а люди продолжат возвращаться и говорить, что это слишком сложно, он переедет в другое место». Она делает паузу, словно размышляя, не зашла ли она слишком далеко, и решает, что нет. «Обучение студентов — это не совсем его дело. Нобелевские лауреаты в основном не учат».

Самый известный геймовский студент, перешедший в коллегу, — его самый грозный полузащитник, ныне лауреат Нобелевской премии и рыцарь королевства — Константин «Костя» Новоселов. На вопрос о стиле управления своего условного босса Новоселов отшатывается. «Я бы не хотел использовать слова «стиль управления», и я совершенно уверен, что Андре тоже бы его возненавидел, — говорит он. «Я прошел свой путь в науке и развил у него свой стиль и вкус, и вообще стиль группы — это не управленческая структура, не линейное управление». На вопрос о том, кто из них действительно заслуживает похвалы за выделение графена, он, кажется, подавил разочарованный вздох: «Неважно, кто. Красота и удовольствие от работы с Андре в том, что он придумывает такие безумные идеи, как «почему бы нам не сделать транзистор из графита?» Это был ключевой момент».

История открытия графена вошла в физику на том же уровне, что яблоко Ньютона и погружение Ричардом Фейнманом уплотнительного кольца в стакан с ледяной водой, чтобы показать, что случилось с космическим шаттлом Challenger . Самой авторитетной версией на данный момент является собственная версия Гейма, представленная в его Нобелевской лекции 2010 года, и она поразительна по двум причинам: вам не нужно ни минуты формального физического образования, чтобы увидеть ее великолепие, и она никогда не была частью чьего-либо грандиозного плана. Это было дитя основной необходимости найти что-то для кого-то делать.

Это был 2002 год. Гейм взял нового китайского аспиранта, которому нужен был проект, чтобы занять физическую часть своего разума, пока он изучает английский язык. Поиск очень тонких, очень проводящих веществ был навязчивой идеей материаловедов с самого начала вычислительной техники, но, за заметными исключениями, он в основном ограничивался металлами. Гейм не изобретал термин «графен» — это понятие использовалось с 1980-х годов, — но он не был выделен или исследован, и его заинтриговали возможности соединения ультратонкого слоя графита с парой электродов. Поэтому он предложил своему ученику Да Цзяну посмотреть, что можно получить полировкой. Папа должным образом отшлифовал таблетку пиролитического графита, оставив бесполезную крупинку.

Гейм все говорил о тонком графите. Поняв намек, исследователь из Украины Олег Шкляревский отправился рыться в мусорном ведре в лаборатории, где работал Да. Лаборатория находится через первую дверь слева, когда вы входите в логово Гейма. Он ничем не примечателен с точки зрения устройства, но в каком-то смысле именно здесь начался графен, потому что в мусорном ведре Шкляревский нашел липкие связки выброшенной ленты, которую другие члены группы использовали в качестве стандартного метода очистки других кусков графита, как вы могли бы использовать лента для удаления собачьей шерсти с пальто. На ленте были чешуйки графита, достаточно тонкие, чтобы быть прозрачными. Гейм посмотрел на некоторых под микроскопом и сразу понял, что они гораздо тоньше папиной точки. Хлопья были многообещающими, но нужно было потрудиться, чтобы узнать, насколько они многообещающие. Квотербек огляделся в поисках кого-нибудь, кому можно было бы отдать пас. Позже в своей Нобелевской лекции он написал: «Олег не вызвался взяться за еще один проект, а Костя согласился».

Новоселов обнаружил, что ему достаточно несколько раз повторить трюк с лентой на одном и том же образце, чтобы увидеть при достаточном увеличении аккуратную гексагональную решетку чистого углерода толщиной в один атом. Первым сюрпризом стало то, что двумерное вещество может быть стабильным при комнатной температуре. То, что он был не только высокопроводящим, но и «настраиваемым» — это означало, что поток электронов через него можно было контролировать — было большой проблемой; момент эврики; момент, когда Гейм начал отвлекать ресурсы, чтобы найти лучшие способы производства графена и испытать их на уничтожение.

Прошел год. Аналогичная работа велась в Колумбийском университете и Технологическом институте Джорджии, но, оглядываясь назад, мало кто сомневается, что манчестерская команда опередила их как минимум на несколько месяцев. Первая статья Новоселова-Гейма «Эффект электрического поля в атомарно тонких углеродных пленках» была опубликована в журнале Science в октябре 2004 года. Она занимала менее трех страниц, но ее сразу же подхватили другие участники графеновой гонки, чьей первой целью было чтобы проверить его выводы. Они встали. Ажиотаж оправдался. Грамм за граммом графен действительно был в 100 раз прочнее стали и в 100 раз более проводящим, чем медь. К 2010 году статья цитировалась более 3000 раз в других исследованиях, но задолго до этого стало ясно, что Нобелевскому комитету следует обратить на это внимание.

Гейм был дома, когда раздался звонок около 10 утра 5 октября 2010 года. Он не надеялся на победу в том году, убедив себя, что настала очередь астрофизики или космологии. Но Григорьева уже знала, потому что Шведская королевская академия наук позвонила ей на работу и попросила его номер. Повесив трубку со Стокгольмом, она подождала несколько минут. «Тогда, конечно, я пытался позвонить ему, но было уже слишком поздно». Домашний телефон был заблокирован в течение следующих двух часов. «В следующий раз я увидела его, когда он пришел на работу, — говорит она. «Он надел костюм и успел прийти сюда около 12, а в коридоре стояла очередь людей, аплодирующих, и все телефоны в каждом кабинете звонили без умолку. Я встретил его на лестнице. Мы были немного ошеломлены». В тот раз у него не было под рукой шутки. — Думаю, мы просто обнялись, и все.

Как и Григорьева, Новоселов был в офисе, когда услышал. Он уже разговаривал по другому телефону с коллегой-исследователем, поэтому, по его словам, «я очень-очень коротко звонил из Швеции». Затем он вернулся к предыдущему звонку, не показывая, что только что получил Нобелевскую премию. «Я до сих пор горжусь этим. Ребята из Швеции сказали: «У вас осталось около 40 минут нормальной жизни, поэтому я использовал это время, чтобы закончить то, что я делал. Надеюсь, я сохранил должное самообладание».

Я спрашиваю, почему он не позволил себе кричать и кричать, а полузащитник отвечает: «Потому что ты не должен. Мы ученые, и вашей главной мотивацией должен быть интерес и прогресс в науке. Если есть работа, которую нужно закончить, вам нужно ее закончить. Если есть формулы, которые нужно написать, они должны быть написаны. Было бы оксюмороном получить телефонный звонок из Швеции и прекратить заниматься наукой в ​​этот момент. Это было бы совершенно неправильно».

Новоселов — ученый мирового класса, но также идеальный натурал для шоумена Гейма; подобранная вручную фольга для фокусника конденсированных сред, который получает такое удовольствие, смешивая взрывоопасные этнические группы в своей исследовательской группе. Гейм — защитник, но также и дирижер — дирижер оркестра нахальных солистов, стянутых со всего мира для просвещения человечества. Во всяком случае, его стиль управления — это управление плавильным котлом. «Когда у вас есть много национальностей, и особенно когда люди немного праведны в отношении своих правительств, это доставляет большую радость разрушать предубеждения и предубеждения друг против друга», — говорит он. «Будь то украинцы и русские, израильтяне и иранцы, пакистанцы и индийцы, все в порядке. Месяца два-три возникает напряжение, и из уважения друг к другу люди стараются вызвать улыбку на лицах. Потом через полгода все мои расистские шутки и неполиткорректные шутки на самом деле воспринимаются как шутки». Что делает его, размышляет он, «великим послом мира».

Пока мы говорим , Украина скатывается к войне с самой собой и, возможно, с Россией. Прошло десять лет с момента озарения Гейма и четыре года с момента звонка из Стокгольма, ознаменовавшего его появление в качестве публичного деятеля. Первая съемочная группа, прибывшая в тот день на сцену в Манчестере, была из российской сети. По мере того, как его отчет передавался на родину, дальние родственники Гейма, ранее неизвестные ему, стали продвигаться из Украины в Сибирь. На сайте Московского физико-технического института, где он был отличником в 19В 70-х годах стали появляться отсканированные копии его старых экзаменационных работ с подписями великих советских ученых, которые их ставили. В последующие годы он познакомится с членами того, что он называет «правящей двадцаткой» России, и будет уважать их. Он не называет имен этих людей, которых обычно карикатурно изображают клептократами с каменными лицами, но он говорит, что они «на самом деле трудолюбивые, хорошие парни, которые стараются изо всех сил».

Гейм не прочь дразнить журналистов ради забавы, но насчет России и Украины, похоже, не шутит. У него есть семья в Харькове, которая оказывается сторонником новой власти в Киеве, и он утверждает, что не принимает чью-либо сторону. Поэтому, когда я спрашиваю, какая сторона в этой каше более виновна в пропаганде, Россия или Запад, он дает, как он считает, объективный ответ. «Я думаю, что западная сторона. Все, что мы делаем на Западе в плане внешней политики, очень недальновидно… а в случае с Украиной и оракулом быть не надо. Экономика настолько слаба и так сильно основана на торговле с Россией, что если эти отношения разорваны, то сохранить страну можно только на основе ненависти к соседу, чем и занимается украинское правительство. Как долго это будет продолжаться? Через пять лет население будет сыто по горло и будет очередная революция. Это все так предсказуемо, и все пострадают».

Что касается приемных родственников, то он считает, что британцы «должны относиться к России с пониманием». Неправильно, говорит он, «проецировать свой менталитет на менталитет совсем другого народа», проблемы которого совсем в другом масштабе. Он не знаком с Владимиром Путиным лично, но поддерживает путинское хирургическое укрощение олигархов, поддерживает его стремление вернуть государственный контроль над большей частью экономики, и его не волнует, кто об этом знает. Вы хотите звуковые фрагменты? Он делает звуковые фрагменты. Великобритания — это «демократическая посредственность», как в «бездарности». Россия — это «царская идиократия», по крайней мере, до середины нашего разговора, когда его потребление кофе из новой эспрессо-машины, установленной на подоконнике, возросло до четырех латте и продолжает считать. К тому времени по крайней мере часть российской системы превратилась в «царскую меритократию». Вот что он знает: «Homo sapiens — не очень мудрое животное, вопреки латинскому названию».

Для человека, столь теплого в общении и столь любимого своими коллегами, Гейм произносит замечательную реплику с презрением к представителям своего вида. Через месяц после того, как он узнал о своей Нобелевской премии, он посетил Израиль, встретился с президентом Шимоном Пересом и дал интервью газете «Джерузалем пост» . Бабушка его матери была еврейкой, и Post стремился докопаться до сути его собственного чувства идентичности. Он ответил на своих условиях: «Я страдал от антисемитизма в России, потому что мое имя звучит по-еврейски, поэтому я идентифицирую себя с вами. Тем не менее, я делю мир не на религии или страны, а на глупых людей и чуть менее глупых людей, и я надеюсь, что я причислен ко второй группе».

Гейм говорит, что ему было около восьми, когда он впервые понял, что он менее глуп, чем его сверстники. Примерно в 14 лет его стандартное положение на вершине класса начало проявляться в тестах, и он выиграл региональную химическую олимпиаду, выучив наизусть весь химический словарь. В 16 лет он бросил школу и начал поступать в ведущие научные университеты Советского Союза.

К этому моменту его привели не родители, управлявшие крупным заводом на Северном Кавказе, а бабушка из Сочи, которую он назвал «лучшим другом, который у меня когда-либо был». Ее муж умер молодым от цинги, которую, по словам Гейма, он заразился от слишком большого количества чая из сосновой хвои, выпитого в политзаключенном на крайнем севере. Его собственный отец тоже был интернирован в Сибири из-за своей немецкой фамилии, но Гейм ничего об этом не знал, пока Советский Союз не рухнул. Его семья скрывала это от него, опасаясь, что, если он узнает правду и выболтает ее, это может подорвать его карьеру.

Даже не зная этого, он столкнулся с советской этнической сортировкой, когда поступал в Московский научный институт, поставлявший физиков-ядерщиков для ВПК. Евреев и этнических немцев не допускали, если они эмигрировали с конфиденциальными секретами. Гейм говорит, что он потерпел неудачу вместе со всеми другими кандидатами в его экзаменационной комнате, у всех из которых были иностранные имена. По милой иронии судьбы он, тем не менее, имел дело с ядерным оружием. В институте, который он посещал, были несложные обязанности национальной службы, состоящие из обучения работе с межконтинентальными баллистическими ракетами. «Я научился направлять межконтинентальные баллистические ракеты в направлении США, Китая или Лондона, — говорит он. Он посетил шахту под Псковом и посмотрел вниз на передовой инструмент армагеддона коммунизма, хотя и по принципу «смотри, но не трогай»: «У меня никогда не было практики. Я был бы бесполезен при нажатии на большую красную кнопку.

Погруженный в такие воспоминания, Гейм в какой-то степени испытывает ностальгию по Советскому Союзу? Он отрицает это. В конце концов, банкротство системы распространилось на высшие отделы ее научно-исследовательского учреждения. Не было ни оборудования, ни денег, ни будущего. Тем не менее, ему нравится рассказывать историю межконтинентальных баллистических ракет, потому что она выделяет его среди других. Он с удовольствием вспоминает, как это ни странно, лето, проведенное далеко за полярным кругом в устье Енисея, работая с друзьями на стройке с 10 вечера до 8 утра, потому что такое возможно в стране полуночного солнца («и может потому, что комары были менее агрессивны»). И ему нравится рассказывать жителям Запада, что советская эпоха не была одной длинной линией плохого. Сталин был Сталиным, конечно, но Брежнев, особенно поздний Брежнев, мог быть очень терпимым. Распространённые брежневские шутки были гораздо грубее «Вылитого», и их можно было испытать на ком угодно, лишь бы не с рупором на Красной площади.

«Менталитет всей московской интеллигенции был такой же, как у [диссидента Андрея] Сахарова, — говорит он. «Они просто не обнародовали это». Во всяком случае, таков был его опыт в качестве молодого новобранца интеллигенции, укрывшегося в элитном наукограде под Москвой во время советской Götterdämmerung . Это было место девяти институтов, двух школ и двух магазинов, называвшееся Черноголовкой. Ирина Григорьевна это хорошо помнит: там она познакомилась с Геймом, там же вышла за него замуж в 1988 лет, и до сих пор говорит об этом так, как будто только что влюбилась. «Мы вместе шли пешком от того места, где жили, до лабораторий, потому что там не было общественного транспорта», — говорит она. «Это была 25-минутная прогулка, и я всю дорогу смеялся. Его рассказы не всегда были новыми, но всегда были забавными». Летом они вместе поднимались в величественные горы Тянь-Шаня Кыргызстана. «В одной поездке он был лидером нашей группы и ввел демократию, — говорит она. «Мы бы проголосовали, по какому пути идти, и это был бы неправильный путь, но мы бы все равно пошли».

Офис , нового Джеймса Уотта, достаточно велик для небольшого стола для совещаний и стола, и достаточно широк, чтобы он мог расхаживать взад и вперед, не выглядя нелепо. За три часа он ни разу не сядет. Он почти никогда не дает своей кофейной чашке пересохнуть и спокойно перескакивает с графена на альпинизм и заслуги сингапурского управления (он фанат), будь то вызванный вопросом или собственным синапсом. Так работает его разум. Нет границ; просто идеи.

«Почему-то я измеряю свою жизнь и долголетие не годами, а количеством накопленного опыта», — говорит он. Многие из этих переживаний — горы, на которые он взобрался. Один из них находит применение чрезвычайно мощному магниту в университете в Голландии в конце 1990-х годов. Он левитировал лягушку, и хотя это не продемонстрировало ничего нового в магнетизме, оно привлекло гранты, внимание и предложения о работе. Это отметило его как шутника и принесло ему Шнобелевскую премию Гарварда. Вопреки совету более самоуверенных ученых он явился за призом и, как вспоминают организаторы, «постоянно бегал и отпускал грязные шутки». Он особенно любил показывать, какие образы получаются при отражении двух пальцев в ложке.

Он гордится своей мирской жизнью в том смысле, что видел реальный мир, и презирает виртуальный мир социальных сетей. Он отказывается от термина «твиттинг» в пользу «твиттера» на том основании, что это звучит глупее, и не видит ничего хорошего в том, что калифорнийские IT-миллиардеры старше двадцати лет думают, что они могут решить серьезные проблемы с помощью приложений для смартфонов. Конечно, графен еще может сделать твиттер еще проще, позволяя нам складывать наши интерфейсы социальных сетей на листе бумаги или носить их на помятом рукаве. На самом деле, если раньше Гейм показывал посетителям графен в виде крошечных пятнышек, закрепленных на кремниевых пластинах, то теперь у него есть прототип гибкого экрана смартфона с графеновым покрытием. Но это не очень хорошо работает, и его это даже отдаленно не беспокоит. До сих пор почти все прикладные исследования графена, которые ведутся в Манчестере и других местах, касаются «замещающих приложений», которые могут изменить мир, но не изменят его. Убийственное приложение еще впереди.

Когда это произойдет, а это может произойти не через несколько десятилетий, вероятно, речь пойдет о графене в сочетании с другими двумерными материалами, над которыми работают Гейм и Новоселов. Например, гексагональный нитрид бора. В различных трехмерных формах HBN уже давно используется в качестве упругой смазки, стабильной в вакууме и в широком диапазоне температур. В 2D-форме, зажатой между слоями графена, он открывает новые смелые перспективы, от хранения данных до нанотранзисторов, благодаря которым самые быстрые и маленькие микропроцессоры могут выглядеть медленными и большими.

Гетероструктуры графен-HBN удивительно настраиваемые, говорит Новоселов. Они могли бы сделать квантовые вычисления коммерческой реальностью, в которых информация хранится не в двоичных байтах, а в несметном количестве «кубитов», что обеспечивает экспоненциальное увеличение вычислительной мощности и компьютеров, в миллионы раз более мощных, чем, скажем, Deep Blue. Оттуда всего один шаг до искусственного интеллекта, который действительно разумен. До того, как эта точка будет достигнута, существует вероятность того, что графен уже будет встроен в нашу искусственную среду, в сверхлегкие планеры, в лыжи, велосипеды, шлемы на случай, если мы с них упадем, черепные имплантаты на случай, если шлем выйдет из строя, и доставку на молекулярном уровне. системы для интеллектуальных лекарств от рака. Сталь и пластик изменили мир. Будет удивительно, если графен этого не сделает.

День уходит. У Гейма есть плечи, через которые он может заглянуть, и он отбегает назад, чтобы направить его к зачетной зоне.