Андрей гейм и константин новоселов доклад
Обновлено: 16.05.2024
Самый прочный и тонкий в мире
В школе создания черновых заметок и черчения ученики пользуются простыми карандашами, сердцевина которого сделана из графита. Это материал, созданный из углеродных пластинок, связанных между собой в шестиугольники. Графен — одна такая пластинка, которую достаточно трудно выделить. Кажется, что сломать графитовый карандаш очень легко; на самом деле, чем тоньше углеродная пластинка, тем она прочнее. Ученые определяют графен как гексагональную решетку атомов углерода толщиной всего в один атом. Если сложно, то это нечто в триста тысяч раз тоньше бумаги и в шестьдесят тысяч раз тоньше самого мелкого вируса.
Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку. Фото: Wikimedia / AlexanderAlUS / CC BY-SA 3.0
Сперва исследователям было непросто поверить, что всего один углеродный слой может быть стабильным при комнатной температуре. Благодаря уникальным свойствам и высокому качеству его решетки, графен не только проводит электроны быстрее, чем любое другое вещество, но и выигрывает в прочности у алмаза — наиболее близкого к нему вещества. Алмаз не такой стабильный как графен, который может выдерживать нагрузку более пяти тонн без разрушения.
Еще из топ-качеств: графен обладает структурой полупроводника, при этом способен проводить электричество как проводник. К его свойствам также относят хорошую теплопроводность, упругость и гибкость. Температура его плавления — 3000 градусов . Несмотря на то, что графен в двести раз прочнее стали, если использовать его на подложке из мягкого материала, он перенимает его свойства.
Очевидно, что материал с такими характеристиками должен иметь серьезную причину не стать одним из самых популярных в промышленных и бытовых ситуациях. Причина есть – графен действительно трудно производить. К 2018 году самое большое количество концентрированного графена, которое удалось изготовить, — лист размером с кредитку. Для этого использовалось масло сои, нагретое до 800 градусов и лист никелевой фольги. Соединение двух компонентов привело к упорядочиванию углерода в пластину графена. Попытки получить листы крупнее приводили к ухудшению качества самого материала. Только в последние годы производство графена начало выходить за пределы исследовательских лабораторий.
Еще один недостаток соединения — его возможная токсичность. В 2010 году американские исследователи обнаружили , что один из способов производства графена убивает живые клетки. При размешивании графита или углерода в воде образуются мелкие частицы графена размером меньше ста нанометров . Проходя через клеточную мембрану, такие частицы действительно уничтожают клетку. Метод добычи графена путем химического осаждения газовой фазы позволяет избежать такого исхода. Однородный слой атомов первоначально распределяется по большой площади (100 на 100 миллиметров), которая постепенно уменьшается. После этого слой закрепляется на подложке и токсичность материала падает.
В 2004 году российские ученые, выпускники Московского физико-технологического института, Андрей Гейм и Константин Новоселов выпустили статью , опубликованную в журнале Science. В ней они рассказали, как, имея всего лишь простой графитовый карандаш и скотч, получили новый материал. Исследователи снимали слои графита скотчем пока не дошли до слоя толщиной всего в один атом. За новаторские эксперименты с графеном в 2010 году они стали лауреатами Нобелевской премии, а также удостоились звания рыцарей-бакалавров, дарованного английской королевой.
1) Андрeй Гейм. Фото: wikimedia / Bengt Oberger / CC BY-SA 4.0 / 2) Константин Новосёлов. Фото: wikimedia / Holger Motzkau / CC-BY-SA-3.0
С тех пор количество научных исследований, посвященных графену, растет с каждым годом. В 2016 году они составляли 1% от всех публикаций в мире, согласно данным Web of Science — крупнейшей базы научных работ. На 2017 год количество работ превысило сто тридцать тысяч. Несмотря на то, что открытие было сделано российскими учеными, почти половина научных публикаций принадлежит китайским исследователям. В 2013 году в Китае был создан Инновационный альянс графеновой промышленности. Эксперты предсказывают , что в будущем в Китае сконцентрируется до 80% мировой графеновой индустрии.
Европейский союз запустил проект Graphene Flagship, в рамках которого взаимодействуют исследовательские организации и промышленные компании, куда вложен 1 млрд евро. В Америке в 2017 году появилась Национальная графеновая ассоциация. Среди членов консультативного совета — представители компаний Apple, IBM, Cisco.
Первооткрыватели — Андрей Гейм и Константин Новоселов — работают в Университете Манчестера в Великобритании. Там же находится Национальный институт графена — масштабный исследовательский центр. Если кого-то удивляет, что многие российские исследователи предпочитают заниматься разработками за рубежом, объяснение простое. В России нет исследовательских центров, которые были бы сосредоточены только на изучении графена и его свойств. Из-за этого нет последовательной государственной поддержки; кажется , что раз Нобелевская премия уже получена, работать в этом направлении уже поздно. Хотя симбиоз научных исследований с практическим применением позволяет постепенно открывать все новые свойства материала.
Бесконечный аккумулятор и сверхпрочные танки – часть того, что позволил сделать графен
Графен лег в основу современной медицинской биоэлектроники. Ученые создают нейродевайсы и биосенсоры, чтобы с их помощью улучшить процесс диагностики и эффективнее лечить болезни. Чтобы такие устройства были доступны в каждой больнице нужно развивать индустрию: нужны тысячи и миллионы экземпляров, в то время как для исследований изготавливается от 10 до 100 штук. Также, графен может способствовать уничтожению раковых клеток, так как способен преобразовывать свет в электричество.
Нефте- и газодобывающие компании по всему миру изучают графеносодержащие жидкости. В перспективе их можно использовать в буровых растворах и для изготовления полимерных труб и покрытий для нефте- и газопроводов. Графен — многообещающее направление для исследований в области возобновляемой энергетики, например в разработках прозрачных солнечных батарей и аккумуляторов с высокой емкостью. Благодаря своим свойствам , графен способен стать компонентом опресняющего устройства для морской воды. Сверхпрочные бронежилеты и военное оружие, архитектурные сооружения, способные выдерживать взрывы, смартфоны с гибким дисплеем и бесконечным зарядом — все это также потенциальные поля для использования графена.
Компания Samsung ведет активные разработки по внедрению графеновых шариков в аккумуляторы смартфонов. По прогнозам , в случае успеха емкость аккумуляторов увеличится на 45%, а заряжаться телефон станет в пять раз быстрее. Добавление графена в корпус смартфона позволит сделать его в разы удароустойчивее и, возможно, избавит от необходимости носить защитные чехлы.
В будущем, несомненно, нанотехнологии, которым сейчас уделяется столь пристальное внимание, будут играть важную роль в жизни человека. Новые конструкционные материалы, электроника, лекарства, приборы — все это, построенное на основе нанодостижений, будет обладать уникальными свойствами. Сейчас в этой области работают тысячи ученых по всему миру, и многие открытия сделаны нашими соотечественниками.
Нобелевская премия по физике за 2010 год вручена двум ученым, некогда работавшим в России, — Андрею Гейму и Константину Новоселову.
Награда им досталась за работы в области нанотехнологий, а именно — за изобретение технологии получения графена и его производства в количествах, достаточных для изучения физических и химических свойств.
Нужно сразу сказать, что Нобелевский комитет в этом случае не стал долго ждать, а присудил премию через пять лет после открытия. Такое случается крайне редко — обычно ученые получают премию через десятки лет после изобретений и открытий. А то, что работы над графеном были оценены так быстро, может говорить лишь об одном:
нанотехнологии являются едва ли не самым перспективным направлением, а графен станет материалом, который в будущем изменит облик нашего мира.
Особенность графена — двумерная кристаллическая решетка, в которой атомы углерода образуют правильные шестиугольники, как в пчелиных сотах.
Двумерной она называется потому, что все атомы углерода располагаются в одной плоскости, то есть графен — это плоский лист толщиной всего в один атом, но он крайне прочен, так как атомы углерода в гексагональной структуре (гексагон — шестиугольник) образуют друг с другом наиболее сильные химические связи.
Материал был получен в 2005 году русскими учеными Андреем Геймом и Константином Новоселовым, работающими в Манчестерском университете. Однако впервые о графене заговорили еще до Второй мировой войны.
Как известно, кристаллическая решетка обычного графита имеет слоистое строение: она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом, относительно слабо соединенных друг с другом. Графит потому и может использоваться для письма и рисования, что при контакте с шершавой поверхностью от него отделяются тонкие чешуйки, образованные несколькими слоями кристаллической решетки.
При изучении свойств графита его кристаллическую решетку удобно рассматривать именно послойно, а каждый такой слой — это и есть графен! Ведь атомы углерода образуют правильные шестиугольники, а сам слой является двумерным, то есть плоским.
Графен совсем скоро займет главное место в наноиндустрии. Его применение имеет большой потенциал: от наномикросхем до электронных приборов нового поколения
Эксперимент Гейма и Новоселова внешне выглядел просто и даже забавно: к обычному (хотя и тщательно подобранному) стержню графитного карандаша приклеивалась и отрывалась липкая лента (или всем нам известный скотч).
Графен невозможно увидеть без микроскопа, да и манипулировать им не так-то просто, но ученые смогли преодолеть эти трудности с помощью мощных микроскопов и точных инструментов. Позже были разработаны и другие способы получения графена, ведь с использованием скотча невозможно производить этот наноматериал в промышленных масштабах.
В настоящее время изучение графена все еще продолжается, но уже разработаны технологии получения идеально плоских кристаллических решеток и придумано множество способов применения этого материала. Графен может стать новой основой для производства транзисторов и микросхем, а также уникальных по свойствам конденсаторов. Из графена можно изготавливать сверхчувствительные сенсоры, определяющие присутствие и положение отдельных молекул. На основе материала уже разработаны новые светодиоды и другие электронные приборы. Наконец, он может стать конструкционным материалом для разнообразных устройств, обладающих наноразмерами.
Сейчас сфера нанотехнологий — одна из самых перспективных и быстроразвивающихся. Многие ученые небезосновательно считают, что именно за ней будущее. Поэтому вполне справедливо, что физики, создавшие графен, получили Нобелевскую премию.
Краткие биографии
Андрей Константинович Гейм родился 21 октября 1958 года в Сочи. В 1975-м с отличием окончил школу в Нальчике, пытался поступить в Московский инженерно-физический институт, но не удачно. Через год стал студентом Московского физико-технического института, в 1982-м окончил аспирантуру, в 1987-м получил степень кандидата физико-математических наук.
В 1990 году уехал в Великобританию, несколько позже стал подданным Королевства Нидерландов. Работал в нескольких институтах, с 2001-го и до настоящего времени — сотрудник Манчестерского университета, занимает несколько руководящих должностей.
Ведет исследования в различных областях науки, в 2005-м совместно с Константином Новоселовым создал технологию получения графена, за что через пять лет был удостоен Нобелевской премии по физике.
Константин Сергеевич Новоселов родился 23 августа 1974 года в Нижнем Тагиле. В 1991-м окончил школу, поступил в Московский физико-технический институт, с отличием окончил его в 1997-м. Работал в Институте проблем технологии микроэлектроники РАН, учился в аспирантуре. В 1999 году уехал в Нидерланды, где стал аспирантом Гейма в Университете Неймегена. Вместе с ним в 2001-м перешел в Манчестерский университет. Имеет двойное гражданство — России и Великобритании. С 2004 года — доктор философии, является профессором и членом Королевского научного общества. В 2005-м участвовал в разработке технологии производства графена, за что в 2010-м вместе с Андреем Геймом получил Нобелевскую премию по физике.
Андрей Гейм на церемонии вручения Нобелевской церемонии.
Физик Андрей Гейм и его ученик Константин Новоселов получили самую престижную научную премию и чек в 1 миллион евро за открытие графена - самого тонкого материала в мире. Толщина графенового листа всего 1 атом, этот материал считают самым перспективным для использования в электронике.
Те, кто хоть немного был знаком с Андреем, безоговорочно признавали его самым экстравагантным гением за всю современную историю. Достаточно сказать, что Гейм умудрился стать первым ученым, который получил и Нобелевскую и Шнобелевскую премии. Последняя, напомним, является пародией на Нобелевскую премию и присуждается за самые дурацкие исследования в области науки.
Научный мир был ошарашен. Тем более что в качестве соавтора одной из статей на эту тему Гейм указал. своего хомяка Тишу и утверждал, что он внес прямой непосредственный вклад в работу.
Андрей Гейм за свое открытие получил титул рыцаря из рук королевы Англии.
Но спустя несколько лет выяснилось, что работы Гейма по диамагнетической левитации натолкнули ученых на абсолютно новую область исследований: наземные эксперименты с низкой гравитацией.
Открытия Гейма никогда не оставляли научный мир равнодушным. В 2003 году он стал кумиром фанатов комиксов про Человека-паука. Ученый изобрел бесклеевую липкую ленту, которая воспроизводила структуру лапок геккона. Биологов всегда поражала способность этих животных карабкаться по гладким поверхностям и не падать с потолка. Физики рассчитали, что 50-граммовые гекконы обладают такой силой, что теоретически способны удержать на отвесной стене двух взрослых людей! Андрею удалось разгадать этот секрет природы и создать полимерную пленку с удивительными свойствами: миф о Человеке-пауке стал реальностью.
Впрочем, мы забежали далеко вперед. Эту историю надо рассказывать с самого начала. Андрей Гейм родился в 1958 году в Сочи. Через шесть лет семья переехала в Нальчик, где его отец Константин Алексеевич получил должность главного инженера электровакуумного завода. Фабрика выпускала аппаратуру для космических аппаратов.
Гейм единственный ученый, который получил и Нобелевскую и Шнобелевскую премии.
Андрей окончил школу с углубленным изучением английского языка, что впоследствии ему очень пригодилось во время переезда на Запад. Впрочем, настоящей страстью ребенка были математика и физика. Он с увлечением занимался дополнительно, участвовал во всевозможных олимпиадах. Школу Андрюша окончил с золотой медалью.
В 1982 году Гейм с отличием окончил МФТИ, в дипломе у него фигурировала только одна четверка - по политэкономии социализма. Его работы в Институте физики твердого тела привлекли к себе внимание за рубежом. В стране бушевала перестройка, наука в СССР стремительно превращалась в бедную падчерицу. Не видя особых перспектив на Родине, Гейм в 1990 году получил стипендию Английского королевского общества и уехал из Советского Союза. Семья Андрея - его родители и брат - в середине 90-х по программе переселения немцев тоже уехали из Нальчика и осели в Германии.
Константин Новоселов стал самым молодым нобелевским лауреатом по физике за последние 37 лет.
В 1999 году на Западе оказался и Константин Новоселов. Он приехал в Институт Неймегена (Голландия), где к тому моменту Гейм был профессором. Оба знали друг друга еще со времен работы в Институте физики твердого тела в подмосковной Черноголовке. Гейм очень высоко ценил Костю. Тот считался вундеркиндом еще в школе. С шестого класса он не знал себе равных в областной олимпиаде по физике, а на Всесоюзной олимпиаде школьников СССР Новоселов входил в десятку лучших.
От Константина Новоселова ждут новых удивительных открытий.
Впрочем, англичане тоже считают открытия русских ученых предметом собственной гордости. Указом королевы Елизаветы II нобелевским лауреатам Андрею Гейму и Константину Новоселову присвоены звания рыцарей за заслуги перед наукой.
Кстати, Новоселов стал самым молодым нобелевским лауреатом по физике за последние 37 лет. В августе 2015 года ему исполнится всего лишь 41 год. И мы вправе ожидать от Константина новых выдающихся открытий. Впрочем, и Гейм заявил, что эта премия для него не первая и не последняя. Он по-прежнему является одним из самых цитируемых в научной литературе физиков планеты. По словам его супруги Ирины Григорьевой, физика для Гейма не только работа, это источник удовольствия. Его стандартный рабочий день длится как минимум 12 часов: с 9 утра до 9 - 10 вечера.
В пакетике, тот самый графен - самый тонкий материал в мире, его толщина - один атом.
Однако сам нобелевский лауреат скептически оценивает перспективы мировой науки. Он считает, что научно-техническая революция, которая изменила облик нашего мира за последние 50 лет стала результатом политического противостояния капиталистического Запада и коммунистического Востока. СССР и США вкладывали огромные средства в фундаментальные исследования в надежде выиграть гонку вооружений. К счастью, третьей мировой войны не случилось, а наработки ученых вылились в новую технологическую революцию.
Нобелевская премия по физике за 2010 год была присуждена Андрею Гейму (Andre Geim) и Константину Новосёлову (Kostya Novoselov) из Манчестерского университета за новаторские эксперименты с графеном — двумерной формой углерода. Возглавляемая ими группа ученых была первой, кому удалось получить графен и идентифицировать его. Помимо этого, работы Гейма и Новосёлова внесли важный вклад в исследования необычных свойств и характеристик нового материала.
Углерод — поистине уникальный химический элемент. Он способен образовывать самые разнообразные химические структуры в виде одномерных цепочек, циклических образований и пространственных соединений. Благодаря этому многообразию обеспечивается, среди прочего, функционирование генетических кодов всего живого на Земле.
Что такое графен и как его открыли?
Пусть в нашем распоряжении имеется наиболее встречаемая в природе разновидность углерода — графит. Графит — сильно анизотропное вещество; он состоит из слабо взаимодействующих плоских слоев атомов углерода (рис. 2). То, что связь между атомными плоскостями слабая, можно наблюдать в процессе рисования карандашом на бумаге, когда слои графита легко смещаются и отсоединяются, оставляя на бумаге след.
Рис. 2. Графен (верхний рисунок) — это 2D- (двумерный) строительный материал для других углеродных аллотропных модификаций. Он может быть свёрнут в 0D-фуллерен (слева), скручен в 1D-углеродную нанотрубку (в центре) или уложен в 3D-штабеля, образуя графит (справа). Рисунок из статьи A. K. Geim и K. S. Novoselov The rise of graphene в Nature Materials
Не добавляло оптимизма исследователям и заявление авторитетных физиков-теоретиков Рудольфа Пайерлса и Льва Ландау, сделанное более 70 лет назад, о том, что двумерная форма кристаллов не может свободно существовать, поскольку смещения атомов под действием тепловых флуктуаций будут настолько велики, что это приведет к дестабилизации кристаллической решетки и ее распаду на отдельные участки.
Тем неожиданнее для научного сообщества стала статья Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, вышедшая в октябре 2004 года в журнале Science, в которой группа ученых из Манчестерского университета и Института проблем технологии микроэлектроники в Черноголовке под руководством Андрея Гейма и Константина Новосёлова сообщила об успешной стабилизации графена. В этой работе они описали методику получения графена и его идентификации как действительно единичного слоя графита. Невероятно, но синтез графена ученые осуществили с помощью обычной ленты-скотча. Они раз за разом наклеивали скотч на поверхность пластинки пиролитического графита, а затем ее отклеивали, повторяя процедуру до тех пор, пока графит не станет совсем тонким.
Как это часто бывает с великими открытиями, ученым немного повезло. Дело в том, что детектировать графен в тонкой неоднородной по толщине графитовой пластине при помощи атомно-силовых и сканирующих электронных микроскопов технически трудно. Поэтому для поиска монослоя графита Гейм и Новосёлов использовали обычный оптический микроскоп. Толщина подложки из оксида кремния (300 нм), на которую переносилась тонкая пластина из графита, была подобрана настолько удачно, что из-за интерференции света участки разной толщины имели свою окраску (рис. 3). Наименее контрастные, почти бесцветные области соответствовали самым тонким участкам. Именно среди них и был обнаружен графен. Лишь потом Гейм и Новосёлов с коллегами, используя атомно-силовой микроскоп, убедились, что найденная ими область действительно является однослойной и вправе называться графеном.
Рис. 3. Слева: фотография графитовой пластины неоднородной толщины. Толщина отдельных участков приведена прямо на фотографии (указанные значения были получены с помощью атомно-силового микроскопа). Длина масштабной линейки 50 мкм. Справа: изображение графена, полученное с помощью атомно-силового микроскопа. Черная область соответствует подложке окисленного кремния, темно-оранжевый участок толщиной 0,5 нм — это графен, светло-оранжевый участок содержит несколько слоев графена и имеет толщину 2 нм. Изображения из дополнительных материалов к статье K. S. Novoselov, A. K. Geim et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films в Science
Хотя размеры первых полученных кристаллов графена были крошечными (порядка 1 мкм), ученые подсоединили к полученным образцам с помощью специального устройства электроды, чтобы изучить электронные свойства нового материала.
Свойства графена
Открытие Андрея Гейма и Константина Новосёлова спровоцировало настоящую графеновую лихорадку. Буквально за несколько лет теоретики и экспериментаторы из разных лабораторий провели всестороннее изучение свойств графена (группа Гейма и Новосёлова в Манчестерском университете и по сей день остается одним из лидеров в этой области).
Линейный закон дисперсии электронов, а также то, что они являются фермионами (имеют полуцелый спин), вынуждает использовать для описания графена не уравнение Шредингера, как в физике твердого тела, а уравнение Дирака. Поэтому электроны в графене называют дираковскими фермионами, а определенные участки кристаллической структуры графена, для которых закон дисперсии линеен, — дираковскими точками.
В макроскопическом масштабе линейный закон дисперсии приводит к тому, что графен является полуметаллом, то есть полупроводником с нулевой шириной запрещенной зоны, а его проводимость в нормальных условиях не уступает проводимости меди. Более того, его электроны чрезвычайно чувствительны к воздействию внешнего электрического поля, поэтому подвижность носителей заряда в графене при комнатной температуре теоретически может достигать рекордных значений — в 100 раз больше, чем у кремния, и в 20 раз больше, чем у арсенида галлия. Эти два полупроводника, наряду с германием, наиболее часто используются при создании различных высокотехнологичных устройств (интегральных схем, диодов, детекторов и т. п.), а поскольку быстрота и эффективность их работы определяется как раз подвижностью электронов, то чем больше эта величина, тем быстрее и производительнее работают устройства.
Графен установил рекорд и по теплопроводности. Измеренный коэффициент теплопроводности двумерного углерода в 10 раз больше коэффициента теплопроводности меди, которая считается отличным проводником теплоты. Интересно, что до открытия графена звание лучшего проводника тепла принадлежало другой аллотропной форме углерода — углеродной нанотрубке. Графен улучшил этот показатель почти в 1,5 раза.
Что же касается оптических свойств, то графен поглощает лишь около 2,3% видимого света независимо от того, какую длину волны имеет падающее на него излучение. (Любопытно, что в теоретических расчетах эти 2,3% выражаются через произведение числа π и постоянной тонкой структуры α, определяющей силу электромагнитного взаимодействия.) Это означает, что графен практически бесцветен (то есть стороннему наблюдателю будет казаться, что никакого графенового гамака нет, а кот на рис. 4 завис в воздухе).
Перспективы графена
Сочетание прозрачности, хорошей электрической проводимости и эластичности графена привело к мысли использовать его при создании сенсорных дисплеев и фотоэлементов для солнечных батарей. В ходе экспериментов было доказано, что почти по всем показателям устройства подобного рода на основе графена лучше, чем используемые сейчас устройства на основе оксида индия-олова (сокращенно ITO).
Справедливости ради заметим, что успехи, связанные с применением графена, носят пока что единичный характер. Основные трудности заключаются в синтезе высококачественных недорогих листов графена большой площади, имеющих стабильную форму. Тем не менее последние публикации, посвященные получению графена, внушают определенный оптимизм. В июне этого года в журнале Nature Nanotechnology появилась совместная статья корейских, сингапурских и японских технологов, в которой они пишут о получении 30-дюймовых (72 см; сравните с микрометровыми размерами первых кристаллов графена) графеновых листов методами, которые, возможно, поставят производство двумерного углерода на поток. И тогда, наверное, поутихнут разговоры о том, что Нобелевская премия по физике за 2010 год была выдана графену как своеобразный аванс на будущее.
Оригинальная статья лауреатов: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science. V. 306. P. 666–669. 22 October 2004.
Источники:
1) Список публикаций группы Андрея Гейма и Константина Новосёлова на сайте Манчестерского университета (открытый доступ).
2) The Nobel Prize in Physics 2010 — официальная информация от нобелевского комитета.
Читайте также: