Как «мусорные физики» из России получили Нобелевскую премию
Во вторник в Стокгольме были объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике за 2010 год. Ими стали русские физики из университета Манчестера Андрей Гейм и Константин Новоселов. Их главное изобретение — материал под названием графен. Что такое графен, и как его можно использовать? Об этом Новоселов рассказал в интервью Forbes ровно год назад. Ниже — статья из журнала Forbes, вышедшая в октябрьском номере в 2009 году.
Прозрачная голубая полоска на столе работает будильником. Она же показывает расписание на день, в машине развертывается в экран навигатора, на работе превращается в ноутбук, а вечером на ней можно смотреть кино. Авторы ролика об универсальном гаджете будущего, ученые из южнокорейского университета Сонгюнгван убеждены, что он будет создан в ближайшие 10 лет благодаря графену, самому тонкому во Вселенной материалу с уникальными электронными свойствами.
Это будущее приближают десятки лабораторий во всем мире. Путь от фундаментального открытия до практических результатов в случае с графеном преодолевается даже не за годы, а за месяцы. «Год назад я скептически относился к применению графена в электронике, сейчас это становится вполне реальным бизнесом», — говорит автор открытия Константин Новоселов.
Агентство Thomson Reuters в прошлом году сочло графен достойным Нобелевской премии. В список вероятных лауреатов включены Новоселов и его руководитель — Андрей Гейм, директор Центра мезоскопической физики при Манчестерском университете. «Нобелевку» они пока не получили, но их шансы с каждым годом будут расти. Даже удивительно, что материал со столь блестящими перспективами был получен с помощью липкой ленты, которая случайно не попала в мусорное ведро.
Графен представляет собой слой углерода толщиной в один атом. Миллиарды таких слоев образуют графит, из которого делают грифели для карандашей. В возможность отделить один слой никто не верил. Семьдесят лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку.
Графен оказался исключением из этого правила. Гейм и Новоселов обратили внимание на обычный скотч, с помощью которого готовят образцы графита для работы на сканирующем туннельном микроскопе. Скотч отрывает графитные слои, оставляя абсолютно гладкую поверхность. Ленту выбрасывают вместе с тем, что к ней прилипло. «За то, что мы ее подобрали и исследовали, нас обозвали garbage scientists — мусорными учеными», — смеется Новоселов. Склеивая и разлепляя ленту с хлопьями графита несколько раз, Новоселов получил то, что считалось невозможным, — слои графита толщиной в один атом. Их площадь достигала одного квадратного миллиметра: этого более чем достаточно, чтобы перенести графен на подложку и исследовать механические и электронные свойства. В 2004 году в журнале Science вышла эпохальная статья Гейма, Новоселова и их давнего коллеги Сергея Морозова. Свойства — проводимость, прочность, стабильность — оказались уникальными.
«У графена есть свойства, которых нет ни у одного материала, — говорит Новоселов, — это в буквальном смысле материя, ткань. С ней можно делать то же самое, что вот с этой салфеткой: сгибать, сворачивать, растягивать…» Бумажная салфетка неожиданно рвется у него в руках. С графеном такого не случится, замечает физик, это самый прочный материал на Земле.
Почему в графене видят материал, который вытеснит кремниевую электронику? Электроны в нем перемещаются в сотню раз быстрее, чем в кремнии. В прошлом году Гейм и Новоселов с соавторами показали, что из графена можно делать транзисторы, управляемые отдельными электронами. Все это позволит создать более миниатюрные и быстрые микросхемы, которые и греются намного меньше кремниевых.
Не хотел бы Новоселов заработать на своем открытии? Физик смотрит на меня с недоумением. Для него есть вещи поинтереснее. «Мы заканчиваем исследования задолго до того, как начинается коммерциализация, — объясняет он, — и не пытаемся заниматься технологиями». Представителей компаний, которые обращаются к ним, Гейм и Новоселов обычно отправляют в Graphene Industries — фирму, созданную их студентами. Те вручную делают пластинки графена и поштучно продают в лаборатории IBM, Intel, Samsung.
До 2020 года, по прогнозам исследовательской компании Lux Research, графен не поколеблет основы кремниевой электроники. Но уже сейчас новый материал обходит кремний по флангам, показывая себя в новых приложениях. Например, в сверхбыстрых высокочастотных транзисторах для приемников и передатчиков мобильной связи. «Опытные образцы появились в начале года, а сейчас у них уже наблюдаются рекордные показатели», — говорит Новоселов. Особенно продвинулись в их создании IBM и HRL (близкие к оборонному заказу исследовательские лаборатории, которыми совместно владеют Boeing и General Motors). В конце прошлого года HRL получили грант на 50-месячную программу графеновой электроники, которую координирует SPAWAR — инжиниринговый центр Военно-морского флота США. «Они даже не притворяются, что занимаются физикой, а прямо говорят, что делают приборы», — замечает Новоселов.
Развитие графеновой темы привлекло к ней внимание частных инвесторов. Несколько американских компаний замахнулись на производство сотен тонн графена к концу 2010 года. Такие объемы могут затоварить рынок радиочастотных транзисторов навечно, но производители пока ориентируются не на электронику.
Уже сейчас графен востребован как наполнитель для композитных материалов, говорит гендиректор фирмы XG Sciences Майкл Нокс. Гендиректор фирмы Angstron Materials Бор Джанг предлагает использовать графен в устройствах для хранения энергии — аккумуляторах и суперконденсаторах, а также топливных элементах, которые вырабатывают электроэнергию от соединения водорода с кислородом. Компания Vorbeck Materials продает Vor-ink — «чернила», позволяющие печатать электронные схемы.
Нокс узнал о графене в 2006 году от профессора Мичиганского университета Лоуренса Дрзала, который убедил его в том, что на графене можно хорошо заработать. «Я как раз продал свой предыдущий бизнес и искал какую-нибудь перспективную технологию, — вспоминает Нокс. — С тех пор ажиотаж вокруг графена непрерывно растет».
Джанг — пример ученого-предпринимателя, словно сошедший со страниц брошюры о коммерциализации технологий. С 2005 года он декан Колледжа технических и компьютерных наук при Университете Райта. Старт его компании Nanotek Instruments в 1997 году обеспечили гранты Министерства энергетики США. Затем от Nanotek отпочковалась Angstron. Свой первый патент, связанный с графеном, Джанг заявил еще в 2002-м — за два года до революционной работы русских физиков. «Их заслуга в том, что они первыми обнаружили необычные электронные свойства изолированных листов графена», — объясняет Джанг. К 2015 году он скромно планирует занять 30–40% мирового рынка графена, а еще раньше — провести IPO или продать компанию крупному инвестору. Vorbeck уже обзавелась серьезным партнером: для немецкого химического гиганта BASF фирма разрабатывает токопроводящую краску.
Чтобы фундаментальное открытие было применено на практике, оно должно обрасти тысячами изобретений. От создания первого транзистора в 1947 году до распространения интегральных схем, обеспечивших первенство кремниевой электроники, прошло почти два десятилетия. Если графеновая революция пойдет теми же темпами, универсальный гаджет, о котором мечтают южнокорейские исследователи, появится на прилавках самое позднее в 2022 году.
Источник
Кого теряла страна Андрей Гейм и Константин Новосе
Кого теряла страна Андрей Гейм и Константин Новоселов
Среди отечественных деятелей науки и культуры самыми успешными в плане получения Нобелевских премий являются физики. К сожалению, тенденция такова, что все чаще они получают ее, переехав за рубеж. В 2010 году Нобелевскую премию получили два очередных «поравалитика», то есть ученых, «сваливших из своей страны» Андрей Гейм и Константин Новоселов. Формулировка Нобелевского комитета: «За новаторские эксперименты, касающиеся двумерного материала графена». Возможно, эта работа означает начало прямого наступления графена на область, где раньше безраздельно властвовал кремний.
Оба лауреата — бывшие советские ученые, выпускники МФТИ. Андрей Гейм подданный Нидерландов. Графен — не единственное открытие Гейма, он уже несколько раз ошарашивал научный мир то «летающей лягушкой», то изобретением бесклеевой липкой ленты, которая воспроизводила структуру лапок геккона, и позже была использована при получении графена.
В чем-то судьба Андрея напоминает судьбу моего предыдущего героя Михаила Кацнельсона: родина не жаловала своего вундеркинда. Золотого медалиста и будущего нобелевского лауреата завалили на вступительных экзаменах: к еврейству добавились германские корни. Парню пришлось не солоно хлебавши вернуться домой и устроится на завод слесарем-электротехником. После второго провала на экзаменах в МИФИ он понял, что ситуация непробиваемая, забрал документы и все же поступил в МФТИ.
В 1982 году Гейм с отличием окончил физтех, его работы в Институте физики твердого тела сразу привлекли к себе внимание за рубежом. Работая в Институте физики твердого тела в Черноголовке, в котором он защитил кандидатскую диссертацию, Гейм охарактеризовал альма-матер уничижительным словечком «зомби» (ни живой, ни мертвый). Пока наука в СССР стремительно превращалась в бедную падчерицу. Гейм, не видя для себя перспектив на родине, в 1990 году получил стипендию Английского королевского общества и уехал из Советского Союза. А в 1999 году на Западе оказался и Константин Новоселов, будущий самый молодой нобелевский лауреат по физике за всю историю присуждения этих премий. Он приехал в Институт Неймегена (Голландия), где к тому моменту Андрей Гейм был профессором. Оба знали друг друга еще со времен работы в подмосковной Черноголовке. Андрей очень высоко ценил Костю. Тот считался вундеркиндом еще в школе. С шестого класса не знал себе равных в областной олимпиаде по физике, а на Всесоюзной олимпиаде школьников СССР Новоселов вошел в десятку лучших. Получив карт-бланш на исследования в Университете Манчестера, Андрей Гейм стал собирать у себя под крылом русскую команду. Ныне у него более полусотни сотрудников. Указом королевы Елизаветы II нобелевским лауреатам Андрею Гейму и Константину Новоселову присвоены звания рыцарей за заслуги перед наукой.
Они являются одними из самых цитируемых в научной литературе физиков планеты. А.Гейм избран почетным доктором Делфтского технического университета, Швейцарской высшей школы Цюриха и Антверпенского университета, он имеет звание «профессор Лэнгуорти» Манчестерского университета (среди удостоенных этого звания были Э.Резерфорд, Л.Брэгг и П.Блэентт). Получил предложение возглавить один из институтов Макса Планка в Германии, но ответил отказом. По словам супруги Ирины Григорьевой, физика для Гейма не только работа, это источник удовольствия.
Я уже писал, что графен — одна из аллотропных модификаций углерода, представляющая собой сверхтонкие (толщиной в один атом) слои из атомов углерода, связанные в гексагональную структуру. Этот новый материал, созданный нашими героями, замечателен уникальной прочностью, рекордно высокой теплопроводностью и, главное, производство графена может перевернуть мир электроники: ученые предполагают, что графеновые транзисторы будут работать на порядки быстрее, чем современная кремниевая техника. Более того, 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.
Теоретическое исследование графена началось задолго до получения реальных образцов этого 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.
В 2004 году Гейм и Новоселов опубликовали работу, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной пленки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2. Фактически открытие графена привело к созданию целого класса принципиально новых двумерных материалов с уникальными свойствами.
Полупроводниковая техника продолжила свой триумфальный марш — ныне чипы становятся все миниатюрнее и производительней, электронные схемы — все сложнее и сложнее. Однако чем дальше заходит миниатюризация кремниевых микрочипов, тем сильнее начинают проявляться в их работе квантовые эффекты, нарушающие электронные свойства проводников и диэлектриков. Компании-производители чипов постепенно подбираются к так называемому квантовому порогу в изготовлении микрочипов из кремния, ученые без устали ищут направления дальнейшего развития наноразмерных электронных устройств. Сегодня взгляды большинства из них устремлены в сторону двумерного углеродного материала — графена, полученного нашими не в своей стране, а за ее рубежом.
Манчестерская группа уже сумела сделать на основе графена одноэлектронный транзистор — потенциальный элемент графеновых микросхем будущего. Ученым удалось не только показать работоспособность подобного рода электронных устройств уже при комнатной температуре, но и обнаружить новое физическое явление, не получившее пока теоретического объяснения и нуждающееся в дальнейших исследованиях. Все это позволит создать более миниатюрные и быстрые микросхемы, которые и греются намного меньше кремниевых.
«Значение этого открытия для микроэлектронной промышленности трудно переоценить,— говорит Новосёлов. — По сути, мы показали, как с помощью технологий сегодняшнего дня изготовить одноэлектронный транзистор на основе графена и заставить его работать при комнатной температуре».
До 2020 года, по прогнозам экспертов, графен не поколеблет основы кремниевой электроники. Но уже сейчас новый материал обходит кремний по флангам, показывая себя в новых приложениях. Например, в сверхбыстрых высокочастотных транзисторах для приемников и передатчиков мобильной связи. «Опытные образцы появились в начале года, а сейчас у них уже наблюдаются рекордные показатели», — говорит Новоселов. Развитие графеновой темы привлекло к ней внимание частных инвесторов. Несколько американских компаний замахнулись на производство сотен тонн графена. Такие объемы могут затоварить рынок радиочастотных транзисторов навечно, но производители пока ориентируются не на электронику.
Уже сейчас графен востребован как наполнитель для композитных материалов, говорит гендиректор фирмы XG Sciences Майкл Нокс. Гендиректор фирмы Angstron Materials Бор Джанг предлагает использовать графен в устройствах для хранения энергии — аккумуляторах и суперконденсаторах, а также топливных элементах, которые вырабатывают электроэнергию от соединения водорода с кислородом. Компания Vorbeck Materials продает Vor-ink — «чернила», позволяющие печатать электронные схемы.
Чтобы фундаментальное открытие было применено на практике, оно должно обрасти тысячами изобретений. От создания первого транзистора в 1947 году до распространения интегральных схем, обеспечивших первенство кремниевой электроники, прошло почти два десятилетия. Если графеновая революция пойдет теми же темпами, универсальный гаджет, о котором мечтают южнокорейские исследователи, появится на прилавках самое позднее в 2022 году.
Источник
