Нобелевской премии в области физики удостоились первооткрыватели и исследователи новой формы углерода — графена — Андрей Гейм и Константин Новоселов. Наши, увы, бывшие, соотечественники.

Нобелевскую премию по физике 2010 года принесла ученым тонкая пленка обычного углерода. Графен представляет собой шестиугольную сетку минимальной — всего в один атом — толщины. Она так тонка, что свет проходит насквозь, практически не отражаясь, но плотная упаковка углерода делает ее совершенно непроницаемой для атомов, даже для легких и мелких частиц гелия. Вообще, внешне совершенно непритязательный и, казалось бы, «такой понятный» графен демонстрирует самые удивительные свойства. При своей крохотной толщине он обладает огромной механической прочностью, отлично, не хуже медной проволоки, проводит ток, а теплопроводность его выше, чем у любого другого известного нам материала.

Соответствующая публикация, появившаяся в 2004 г., вызвала целый шквал теоретических исследований, вырастающих из объяснения механизмов странных физических свойств графена. Но графен уже в ближайшем будущем найдет и чисто практическое применение — от него ожидают настоящего прорыва в области новых материалов и электроники. Углерод, основа жизни и центральный элемент современной энергетики, снова удивил всех.

Теоретически существование и свойства графена были в общих чертах предсказаны еще в середине ХХ в. Однако получить его на практике оказалось делом нелегким, пока ученые не обратились к куда более знакомой форме углерода — обычному графиту. Он представляет собой высоченный «бутерброд» из плоских «сот» углерода; каждый миллиметр его включает миллионы таких слоев. Друг с другом они соединяются довольно слабо, что и позволяет нам писать карандашом, буквально оставляя на бумаге фрагменты таких слоев. Таким путем и решили двигаться исследователи.

Конечно, они использовали не карандаш и не бумагу, но принцип разработанного ими метода был таким же и состоял в отделении одноатомных слоев от графита на клейкую подложку. Поначалу результат мало отличался от рисования — на подложке оставалось по множеству слоев за раз. Но повторив процедуру, ученые делали их число все меньшим и в конце концов пришли к единственному, одноатомному, к графену.

Но и на этом этапе все оказалось не так-то просто. Мельчайшие пленки графена находились в смеси с графитовыми «бутербродами», и в крайне малых количествах. Даже показать, что графен там имелся, оказалось непросто. Пришлось поместить всю смесь на пластинку оксида кремния, обычного материала в современной электронике, и рассматривать ее под микроскопом. Полученная картинка напоминает радужные разводы бензиновой пленки в луже — и имеет примерно ту же природу; цвет конкретной области зависит от толщины слоя — либо бензина, либо углеродной структуры. Так было обнаружено, что графен удалось получить. Но это было только начало.

В идеале, графен представляет собой максимально двухмерную структуру, имеющую лишь длину и ширину. Основу ее образует шестиугольник ковалентно связанных атомов углерода. Многие специалисты вообще сомневались, что когда-нибудь удастся изолировать подобные сверхтонкие материалы. Считалось, что они непременно «порвутся», или скрутятся, как смятый лист бумаги, или попросту испарятся при комнатной темературе. По счастью, все эти опасения оказались напрасными. И сегодня самый крупный лист графена, который удалось получить, имеет в поперечнике 70 см.

Конечно, нашим героям до таких размеров было далеко, они стали обладателями лишь микроскопических фрагментов. Но — первыми обладателями, и тут же приступили к исследованию его свойств.

Точнее говоря, важнейшего свойства, которое определяет прочие его особенности. Это — почти идеальная упаковка атомов в одноатомной пленке графена, которая определяется химическими связями между ними. Она придает материалу одновременно прочность и гибкость; сеть эта может без всяких проблем растягиваться, увеличиваясь в размерах процентов на 20. Между ее ячейками электроны путешествуют почти свободно: в обычном металле их движение напоминает полет шарика в пинболе, с непрерывными столкновениями, что снижает проводимость. В графене же этого не происходит.

Вообще, еще одна уникальная особенность графена состоит в том, что поведение электронов в нем схоже с поведением не имеющих массы фотонов — движение электронов в графене происходит с поразительной и постоянной скоростью, как движение фотонов в вакууме. Благодаря этому графен позволяет исследовать некоторые сложные квантовые эффекты, не прибегая к помощи гигантских ускорителей частиц.

Но, пожалуй, еще большее внимание привлекли возможности практического применения графена. Пока что все они относятся к области более или менее отдаленного будущего, хотя многие из технологий, использующих удивительные свойства этого материала, уже отрабатываются в лабораториях мира.

Разумеется, особенное внимание привлекли отличные электропроводящие свойства графена. Построенная на его основе электроника должна работать намного быстрее современной кремниевой. Кроме того, она будет более компактной и энергоэффективной. К этой революции мы движемся довольно резво: первый графеновый транзистор уже создан, и пока он ни в чем не уступает кремниевым аналогам. Будущие же его потомки сделают электронику еще более миниатюрной и мощной. Отличным дополнением к ней станут прочные и гибкие графеновые мониторы толщиной с бумажный лист можно будет просто свернуть трубочкой и бросить в сумку. Работы в этом направлении уже ведут крупные корпорации. Полупрозрачные сенсорные экраны и невероятно эффективные солнечные батареи, сверхпрочные материалы и изоляторы — все это станет возможным благодаря нынешним лауреатам. Ах, да, мы едва не забыли рассказать о них самих.

51-летний Андрей Константинович Гейм — уроженец города Сочи, выпускник МФТИ и бывший сотрудник Института физики твердого тела РАН. Впоследствии эмигрировал в Нидерланды и, работая в Университете Неймегена (Radboud University Nijmegen), получил гражданство этой страны.

В этом университете у Гейма учился и Константин Сергеевич Новоселов, родившийся в Нижнем Тагиле в 1974 г. и закончивший тот же МФТИ. Поработав в черноголовском Институте проблем технологии микроэлектроники РАН, Новоселов присоединился к группе Гейма, с которым вместе в 2004 г. и получил графен. Сегодня оба ученых живут и работают в Великобритании, хотя Новоселов сохранил и российское гражданство. Оба являются профессорами Манчестерского Университета (University of Manchester).

Остается лишь пожалеть о пресловутой «утечке мозгов»… правда, после объявления ученых лауреатами Нобелевской премии прошли сообщения о том, что обоих «позовут в Сколково» — согласятся ли они?

Читайте также о довольно интересном потомке графена — графане: «Химическая рифма».

По информации Nobelprize.org