Кто открыл графен: Как «мусорные физики» из России получили Нобелевскую премию

Как «мусорные физики» из России получили Нобелевскую премию

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.

Графен и его создатели. Справка

Будучи открытым всего несколько лет назад (в 2004 г.) учеными Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими ныне в Манчестерском университете, графен быстро завоевал право называться материалом — преемником кремния, так как вскоре после начала его интенсивного изучения стало понятно, что по многим параметрам он превосходит наиболее широко используемый полупроводник.

Благодаря своим свойствам, графен считается следующим поколением материалов, которые найдут свое применение в наноэлекронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. Графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни.

Главный из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоев графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура.

Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству.

Поскольку графен впервые был получен только в 2004 г., он еще недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес. Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза – из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

Согласно расчетам, микроэлектронные чипы на основе графена должны быть легче, производительнее, стабильнее в работе, должны потреблять меньше электроэнергии и меньше ее количество рассеивать в виде тепла. Наибольшая сложность в создании готовых электронных устройств на основе графена до сих пор заключалась в технической сложности получения углеродного листа больших размеров и отсутствия технологий манипуляций с ним.

В июне 2010 г. в Nature Nanotechnology была опубликована статья группы исследователей из Кореи и Японии, которые впервые сумели использовать углеродный наноматериал графен для создания сенсорного экрана с большой диагональю, что может приблизить появление гибких дисплеев и солнечных батарей и позволит существенно снизить их стоимость.

Ученые впервые сумели показать, что манипуляции с графеном возможны по принципам стандартной роликовой технологии, используемой, например, при печати газет и журналов. В своей работе они сумели получить большой лист графена, используя метод реакционного химического осаждения углеводородного сырья на гладкую пластину из меди. После этого с помощью роликов ученые покрыли графен слоем специального клейкого полимера, а медную подложку растворили травлением.

На следующем этапе ученые с помощью все той же роликовой технологии при нагревании перенесли графен с клейкой поверхности полимера на обычный пластик, используемый, например, для производства бутылок прохладительных напитков. Авторы публикации показали, что таким образом можно нанести несколько слоев графена друг на друга.

Полученный таким образом прямоугольный графеновый лист с диагональю 76 см ученые сумели превратить в прозрачный электрод для сенсорного дисплея. Такой дисплей, в отличие от современных аналогов, где в качестве прозрачного проводника используется оксид индия-олова, отличаются долговечностью, гибкостью, повышенной прозрачностью и, что наиболее важно, низкой стоимостью и экологичностью производства.

Создатели графена:

Костя Новоселов – человек, который открыл графен

Костя Новоселов – профессор физики в Манчестерском университете, занимающийся физикой твердого тела.

В 2010 году ученый получил Нобелевскую премию за открытие графена. Самый молодой Нобелевский лауреат по физике – о политике, науке, искусстве и предстоящей публичной беседе с Борисом Акуниным, коорая состоится 7 декабря в King’s College.

— Почему везде вы упоминаетесь как Костя, а не Константин?

— Просто так повелось. В лаборатории никому в голову не придет меня называть Константин, там я – Костя. Иметь два имени – непрактично. Соответствие полного имени и сокращенного для русскоязычных очевидно, а не.русскоязычным придется каждый раз объяснять. В лаборатории я Костя, в научных статьях я – доктор Костя Новоселов.

— Костя, чем именно вы сейчас занимаетесь?

— В последние годы это графен, другие двумерные материалы, их свойства и возможности их использования в реальных устройствах. С этими материалами интересные результаты получаются и в фундаментальной науке, и с точки зрения практического использования. Я занимаюсь и тем, и другим. Преимущество работы в английских университетах –  если честно делаешь свою работу и она приносит интересные научные результаты, заниматься ты можешь, по большому счету, чем угодно.

— Вы с Борисом Акуниным будете участвовать в мероприятии «Подслушанный разговор физика с лириком». Каков формат и как пришла идея?

 — Мы встретились на ланч с Борисом Акуниным, поговорили. И поняли, что есть круг вопросов, по которым у нас с ним совершенно разные точки зрения, и это можно обсудить публично. По формату это беседа с полемикой вокруг каких-то тем. Что выйдет в результате, предугадать не могу и не стал бы этого делать, дабы сохранить интригу. Одно скажу – за два часа предварительного общения нам было нескучно.

— Вы не впервые участвуете в публичных дискуссиях подобного рода?

— Да, например, я участвовал в публичном разговоре с Дугласом Гордоном на Международном фестивале искусств в Манчестере в 2015 году.

— Какие темы вы будете обсуждать с Акуниным?

— Вероятнее всего, это будут вопросы взаимного влияния науки и политики, экономики, искусства, этики. Как раз в нашей предварительной беседе с Акуниным мы много обсуждали этику в науке.

 

— Каким образом политика и сегодняшняя политическая обстановка на нашем острове влияет на науку и наоборот?

— Ученые предпочли бы не являться гражданами никакой страны или разделять эти две сущности, гражданин и ученый. Но это невозможно. И политика на нас влияет. Так, сегодняшний вектор на выход Британии из ЕС – шаг в неизвестность. Было бы глупо исключать Британию из всех научных коллабораций и совместных проектов. И европейское научное сообщество, наверное, хотело бы нас сохранить как участников, но уверенности в этом нет. Потому что Британия, хотя и заслуженно, отъедает огромную часть европейского бюджета на науку. После оглашения результатов референдума Великобритания официально заявила, что будет и дальше поддерживать все договоренности с Европой в рамках научной деятельности. Заявление хорошее, но тревога остается. Уже сейчас понятно, что дыры в нашем бюджете нужно как-то закрывать. Обычно в первую очередь деньги берут из средств на науку. Мы в Институте графена пытаемся искать пути защиты существующих проектов с финансовой точки зрения. Моя лаборатория до последнего времени почти не финансировалась из национального бюджета, в основном из Европы и США. Сейчас приходится переориентироваться на британские и американские деньги.

— По версии агентства Thompson Reuters, в 2014-м вы вошли в рейтинг самых влиятельных ученых в мире. Получается влиять на политические решения в отношении науки внутри страны?

 — Я могу некоторым образом участвовать в этом процессе как член Британского Королевского научного общества. Мы пытаемся влиять на политические решения в масштабах страны. Но проблем у государства сейчас столько, что науку неизбежно отодвинут на задний план.

— Вы занимаетесь не только наукой, но и искусством. В «Подслушанном разговоре» вы будете выступать от лица Новоселова-физика или Новоселова-художника тоже?

 — Я буду участвовать в этом разговоре как Костя Новоселов, у которого есть много интересов. Моя основная ипостась все же – ученый. Хотя были очень интересные проекты в области искусства. Например, с Корнелией Паркер. Для создания пускового прибора для ее метеоритного фейерверка использовался графит, который я экстрагировал из рисунков Блэйка. Есть опыт работы с разными современными художниками в основном положительный и взаимно обогащающий.

 

— А еще вы занимаетесь китайской живописью…

 — Да, я рисую, или пытаюсь рисовать, в технике китайской живописи. Получаю от этого как большое удовольствие, так порой и разочарования. То, что некоторые мои картины продаются, возможно, лишь случайное стечение обстоятельств. Единственные люди, которым я тут могу доверять, – это я сам и мой китайский учитель рисования. Очень горд, что у меня есть работы, которые ему нравятся.

— Художник и ученый – радикально отличающиеся подходы к исследованию реальности. Как вам их удается совмещать?

 — Китайскую живопись я выбрал не случайно и по тем же самым причинам, почему выбрал то направление в физике, которым занимаюсь. Картина пишется тушью, и в этой технике она должна быть сделана на одном дыхании. Переделать ее нельзя. Этим достигается передача эмоционального состояния, в котором ты находишься в момент рисования. Мой учитель, обмакнув кисть один раз, затем размочив разные ее участки водой до определенной концентрации, рисует всю картину целиком. Мне нравится, что нужно успеть нарисовать, пока ты находишься в конкретном душевном состоянии, чтобы его перенести на картину. И техническая сторона навыка владения кистью, когда есть лишь одна попытка и ничего нельзя переделать, меня вдохновляла. Я очень хорошо владею руками, могу в лаборатории сам сделать то, что ни один студент повторить не сумеет. Я в любой момент могу отойти от своего рабочего компьютера к столу для рисования и за пятнадцать минут написать картину. В той области физики, которой я занимаюсь, есть возможность прийти в лабораторию с идеей и самому полностью воплотить ее в жизнь – тоже за относительно короткое время. От создания образца из исследуемого материала вплоть до окончательной сборки устройства на его основе и измерения параметров того, что получилось. На любом этапе ответственен за результат именно я. В физике высоких энергий, например, коллайдеры, любые результаты возможно получить только благодаря совместной работе многих ученых, порой тысячи человек, у каждого из которых своя зона ответственности. Для меня это вопросы одного порядка: что приводит к созданию хорошего произведения искусства художником и что приводит к совершению ученым открытия. Я – физик, очень рациональный человек, и в метафизику не верю.

— Как вам пришло в голову использовать скотч для получения графена? Откуда берется видение, какой путь выбрать, чтобы получить научный прорыв?

 — Тут многих ждет разочарование. Когда мы с Андреем Геймом (моим научным руководителем, хорошим другом) переехали в Манчестер, у нас была пустая лаборатория и направление деятельности, уже приносящее научные результаты. Нужно было искать что-то новое. Андрей установил правило «пятничных экспериментов»: мы должны были ставить вопрос из другой области физики, которым раньше ученые, этим занимающиеся, не задавались. Одним из таких вопросов был – возможно ли сделать транзистор из графита. Для этого нужна была очень тонкая пленка из этого материала. Мы купили кусок дорогущего графита и отдали студенту отполировать его до минимальной толщины. А он его сточил в пыль.

В это же время в соседней лаборатории запускался в работу туннельный микроскоп. И в этой работе стандартным объектом наблюдения тоже был графит, потому что его поверхность просто сделать абсолютно плоской и при этом легко очистить от любых посторонних частиц – пыли, микрокапель воды, жиров – просто приклеив скотч и затем оторвав его от поверхности.

В тот день нас озарило, как это можно использовать. Первый же вытащенный из мусорного ведра кусок скотча с остатками графита через час уже стал образцом, выдавшим результат. До графена было еще далеко, но первый шаг к его получению мы сделали. Практически случайно. Через год, уже более сложным способом, мы его получили. Можно провести много экспериментов и объяснить какое-то явление. Но это не значит, что в результате мы придем к научному открытию.

— Получается, рисуя картины, вы ставите эксперимент?

— Хотелось бы смотреть на это как на эксперимент, но нет воспроизводимости. Ни одну из своих удачных картин повторить мне не удалось. Расскажу об одной их них. В китайской живописи есть четыре базовых элемента, которые надо научиться рисовать – бамбук, цветение вишни, лотос и орхидея. Я довольно долго тренировался в этом, мой учитель ухмылялся, поправлял. В какой-то момент мне это наскучило, и я нарисовал обычный велосипед. Учитель, увидев его, воскликнул: «Ну наконец ты нарисовал что-то по-настоящему китайское!» Это была первая картина, которую у меня купили. Мне захотелось иметь копию, и я многократно пытался ее воспроизвести. Оказалось, просто иметь хороший навык для этого недостаточно. Возможно, я – плохой художник. Но, наблюдая, как мой учитель рисует, в конце концов я увидел, что у него происходит то же самое. Все его картины отличаются между собой. Не могу это объяснить с рациональной точки зрения. Но и продолжать пытаться воспроизводить свои удачные картины больше не буду, потому что это бесполезно. В науке ты понимаешь, какие параметры как влияют на поведение объекта или системы, поэтому результат правильно выполненного эксперимента воспроизводим. Что нужно изменять, чтобы понять влияние душевного состояния на то, будет ли картина удачной, я не знаю. Нужно сходить выпить кофе или выпить пива? Нужно поругаться со студентом или наоборот? Я не знаю ответа. Мне как физику всегда интересно свести описание поведения объекта к элегантной в своей простоте формуле. Китайцы – мастера в передаче эмоции сочетанием пустоты и нескольких линий. И интересно понять, каков минимальный набор цветов, линий, форм, которым можно это осуществить. Этим китайская живопись, на мой взгляд, схожа с экспериментальной физикой. Живопись минималистичная, а ощущения создаются у зрителя такие, как если бы он смотрел на картину классического художника.

— Предстоящая беседа с Борисом Акуниным – это тоже эксперимент?

 — Это эксперимент лично для меня, но не спланированный. Эта беседа не есть что-то подготовленное и с заранее предполагаемыми результатами. Акунин безусловно очень интересный собеседник, и мы будем тестировать новую систему – взаимодействие Акунина и меня.

Беседовала Мария Акопова

Фото предоставлены организаторами встречи, Bird&Carrot 

Все картины, использованные в даной публикации, кисти доктора Кости Новоселова

_______________________________________________________________________________________

Физик Костя Новоселов встретится с писателем Борисом Акуниным 7 декабря в 19:00 в King’s College в рамках проекта «Подслушанный разговор» 

Борис Акунин: «Жизнь на 99% состоит из суетливой и малозначительной ерунды»

Я действительно не выношу хамства. Не потому что я такой нежный, а потому что хамство – главная беда России…

__________________________________________________________________________________________

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.

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.

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.

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».

«Графен открыл дорогу созданию многих других двумерных материалов» | Статьи

Считается, что самый плодотворный возраст ученого — от 40 до 50 лет. Выпускнику Физтеха (Московский физико-технический институт, МФТИ), нобелевскому лауреату, профессору Манчестерского университета Константину Новоселову — 43. Своего Нобеля по физике в 2010 году он получил совместно с другим «физтехом» (выпускником Физтеха) Андреем Геймом за открытие графена — первого из двумерных материалов. Еще совсем недавно считалось, что такая структура — пленка толщиной в один атом — не может существовать в природе.

В конце ноября сэр Новоселов (титул пожаловала ему королева Елизавета II) приехал в Москву для участия в работе Наблюдательного совета своей альма-матер.

— Как часто вам удается посещать родной институт?

— Заседания Наблюдательного совета Физтеха проходят раз в полгода, и я обязательно приезжаю на каждое. Но в этот раз я поучаствовал еще и в работе 60-й научной конференции МФТИ, а также в открытии нового корпуса института. Он называется «Физтех.Арктика». Арктика безусловно является очень важным и долгосрочным направлением для российской науки и технологии. К нему надо очень серьезно отнестись, значительно расширить существующую программу. Это рекомендация скорее даже не для Физтеха, а для правительства.

— Правительство Великобритании очень серьезно отнеслось к вашему открытию, построив для вас при Манчестерском университете целый Институт графена за £38 млн (примерно $50 млн). Как там принимаются решения о финансировании подобных проектов?

— Как тратить деньги британских налогоплательщиков на науку, решает не правительство, а только научное сообщество. По подобным проектам всегда проводится открытый конкурс с широким обсуждением в среде британских ученых. Для этого существует британский аналог РФФИ (Российский фонд фундаментальных исследований. — «Известия»). Он называется Engineering and Physical Sciences Research Council, EPSRC, и именно через него проходили все решения по проекту Института графена.

— Есть ли в Британии аналог нашей Академии наук?

— Конечно. Но он имеет совершенно другой смысл и по-другому работает. Называется кратко Королевское общество, а полностью — Лондонское королевское общество по развитию знаний о природе (The Royal Society of London for the Improvement of Natural Knowledge). Королевское общество представляет собой не административный орган, а клуб — в лучших британских традициях. Клуб ученых. И если в России академики получают от Академии наук зарплату, то в Британии, наоборот, члены Королевского общества платят членские взносы. Эти деньги идут не только на организационные расходы, но и, например, на спонсирование стипендий для молодых ученых. Как раз такую стипендию я получал десять лет назад благодаря Королевскому обществу. А сейчас, когда меня туда избрали, я сам плачу членские взносы, чтобы помогать молодым ребятам.

— Верили вы в начале карьеры, что двумерные материалы вообще когда-нибудь будут созданы?

— Я был на 100% уверен, что сделать материал толщиной в один слой атомов невозможно. В один невозможно. А в три? А в два? Мы пытались добиться минимальной толщины образца и исследовали этот «толстый графен». Там очень интересная физика, совершенно разная при разном количестве слоев. Мы изучали эту физику и постепенно получали все более тонкие образцы. И вот однажды нам повезло: у нас вдруг один образец вышел однослойным! Почему он оказался устойчивым, мы тогда не знали. Но по поведению электронов в этом образце мы поняли, что имеем дело именно с двумерным материалом.

— Чем отличалось это поведение от того, что наблюдается в трехмерных веществах?

— Есть много причин, по которым графен интересен, и первая — что он в принципе существует. Вторая — его электронные свойства. Они коренным образом отличны от электронных свойств трехмерных материалов. Например, в двумерном мире нет узлов. Если вы там захотите завязать узел, как шнурки на ботинке, вам придется выйти в третье измерение. И это сразу налагает ограничения на поведение электронов. Электроны в графене начинают вести себя как безмассовые частицы. У обычных частиц кинетическая энергия пропорциональна массе и квадрату скорости. А у безмассовых энергия линейно зависит от импульса, как у фотонов, например. Поэтому у таких частиц очень многие свойства совершенно другие. Их нельзя остановить, они не существуют без движения: те же фотоны всегда летят со скоростью света. Еще они могут проходить через потенциальный барьер, туннелировать сквозь него со стопроцентной вероятностью. Вот почему графен обладает такой хорошей проводимостью. Вообще, все его свойства определяются вот этим поведением электронов: и прозрачность, и теплопроводность, и всё остальное.

ПОДРОБНЕЕ ПО ТЕМЕ

— И какие промышленные применения этим свойствам уже удалось найти? Совершилась ли «графеновая революция», о которой так долго говорили?

— Применений нашлось уже громадное количество, но не все они достаточно интересны. В основном пока пытаются в разных областях заменить тот или иной материал графеном, и в результате что-то получается чуть-чуть лучше. Но ведь графен обладает уникальной комбинацией редких свойств, и мы ищем применение именно этой комбинации. Мы пытаемся найти такие решения, которые невозможны без графена. Это самое интересное. Например, мы сделали контактные линзы, которые могут менять фокус. Для этого нужен проводящий прозрачный гибкий прочный материал. Это всё графен, и другого такого материала нет.

— Далеко ли этим линзам до промышленного производства?

— Пока не могу сказать: этим сейчас занимаются другие люди другой специальности. Мы все-таки ученые: можем показать, продемонстрировать, что нечто возможно. А дальше кто-то должен создавать новые технологии. И это не менее сложно и занимает намного больше времени, чем проведение перспективных исследований.

— Сейчас много говорят о военных применениях графена…

— Над ними активно работают, насколько я знаю, китайцы. Есть в Пекине такой институт BIAM — Beijing Institute of Aeronautical Materials, Пекинский институт авиационных материалов. Там разрабатываются все материалы для китайской авиации. Я с ними общаюсь, но они мне далеко не всё рассказывают. Знаю, что наши материалы они пытаются применить для стелс-технологий — тех, которые скрывают самолет от радаров. Свои материалы тоже делают: у них есть серьезные разработки по жаропрочным сплавам, которые применяются для изготовления турбинных лопаток. Они добавляют туда графен, и он дает прекрасные результаты. В Китае ходят слухи, что какие-то модели реактивных истребителей уже с ним летают.

— А ваша лаборатория работает с военными заказами? Ведете ли вы «закрытые темы»?

— А у вас какая форма допуска? Шучу. У нас нет ни одного контракта с министерством обороны Британии. Правда, много работ по заказу американских военных: и ВВС США, и ВМФ, и сухопутных войск. Но там всё открыто, обычные несекретные исследования. Впрочем, с Lockheed Martin были проблемы: они хотели сами всё очень пристально контролировать. Но мы стараемся не работать с такими. У меня в лаборатории все исследования открыты, «закрытых тематик» нет.

— Эти тематики посвящены только графену?

— Я всегда говорил, что самое неправильное — это если мы в Институте графена будем заниматься именно графеном. Нам нужно двигаться дальше. И я надеюсь, что за свою жизнь смогу создать еще немало новых материалов, не менее интересных, чем графен. В графене ведь что подкупает? Святая простота: углерод, гексагональная решетка — проще некуда. Простые решения всегда хорошо работают. Но графен открыл дорогу созданию многих других двумерных материалов. Мои исследования в значительной части направлены сейчас именно на них: нитрид бора, дисульфид молибдена…

— Входит ли графен в нашу жизнь так стремительно, как это предсказывали лет пять назад?

— Входит-входит. Но постепенно. Графен примерно повторяет путь многих других материалов, особенно углеродных. Как, например, лет 50 назад в нашу жизнь входили углеродные волокна: их использовали сначала в спортивном инвентаре, потом в автомобилях, а потом и до авиации добрались. Так же и графен: он начал путь в составе композитных материалов. А сейчас уже всё чаще используется в микроэлектронике для решения одной из главных ее проблем — теплоотвода. Используется и в батарейках — как для того же теплоотвода, так и для улучшения механических свойств. Постепенно это развивается во всё более и более высокотехнологичные решения.

Вы уже сегодня можете купить телефон или часы с сенсорной панелью на основе графена. У меня есть несколько таких, и это не эксклюзивные подарочные экземпляры: я их все купил в магазине.

Одна из наших компаний работает в области печатной электроники: мы печатаем графеновые RFID-метки.

Бывшая Nokia уже производит видеокамеры с графеновой матрицей…

— Работая со студентами, ощущаете ли вы разницу между британской и российской системами подготовки молодых ученых?

— В британских вузах студент получает, наверное, не столь широкий спектр формальных знаний, как в России. Там больше внимания уделяют стимулированию самостоятельной работы, поиску личной мотивации для достижения результата. Иногда это именно то, чего не хватает нашим ребятам.

Широкий кругозор и энциклопедическая образованность — это прекрасно. Но мотивация… Когда я беру на работу студента, я, разумеется, всегда смотрю на уровень его знаний. Но еще больше я смотрю на его мотивацию. Мотивированного студента я смогу научить всему, да он и сам научится. А немотивированный — какой бы он ни был семи пядей во лбу — он учиться не будет, и я его тоже не сумею научить.

— А легендарная «система Физтеха»? Приносит ли она все еще те плоды, которыми гордились в «ваше» время?

— Основу системы Физтеха составляла концентрация научной работы на базовых кафедрах в академических НИИ. Из-за этого на рубеже 1990-х и нулевых годов Физтех попал по не зависящим от него причинам в довольно сложную ситуацию. Условия работы с Академией наук слишком изменились, и сейчас мы не можем полностью полагаться на академические институты. Приходится опираться прежде всего на собственные силы. За относительно короткое время нам удалось создать значительное количество новых собственных институтских лабораторий и корпусов, и я считаю это правильным откликом на изменившиеся внешние условия.

— В чем вы видите причины этих изменений?

– Я очень мало что знаю про Академию наук. Очень мало. На Физтехе я бываю постоянно, а в Академии наук… Я там был один раз. Год назад, после мероприятий, посвященных 70-летию Физтеха, мы с друзьями поехали в Академию наук: там в здании президиума наверху есть замечательный ресторан. Он оставил об Академии самые приятные воспоминания, и я надеюсь сохранить этот позитив.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

 

Воспитанники российской научной школы Андрей Гейм и Константин Новоселов удостоены Нобелевской премии в области физики — Российская газета

Работающие ныне в Великобритании Андре Гейм и Константин Новосёлов удостоены престижной премии за создание  самого тонкого в мире углеродного материала — графена.

Выходцы из подмосковной Черноголовки в 2004 году сделали уникальное открытие, которое сразу же стало мировой сенсацией. Они совершили, казалось бы, невозможное: получили углеродную пленку толщиной всего в один атом из куска графита — такого же, какой используется в обычных карандашах. Но это было только началом графеновой истории. Вскоре работающие в Манчестерском университете ученые разработали самый маленький в мире транзистор: его толщина составляет один атом, а длина — 10 атомов.

Графен обладает целым букетом уникальных качеств. У него необычно высокая прочность, самая высокая среди известных материалов подвижность электронов. Это делает его наиболее вероятным кандидатом на материал номер один в наноэлектронике. По сравнению с кремнием графен имеет лучшую электропроводность и является идеальным материалом для производства чипов. Крайне важно, что графитные транзисторы могут работать при комнатной температуре как и вся современная электроника.

Специалисты пророчат графену большее будущее в самых разных областях науки и техники, и, прежде всего, в информационных технологиях. Кроме того, графен обладает идеальными оптическими свойствами, что открывает перспективу для создания прозрачных электродов в жидкокристаллических дисплеях.

Андре Гейм и Константин Новоселов выходцы из Московского физтеха. Затем они работали в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, расположенного в подмосковной Черноголовке. По словам директора института доктора физико-технических наук Вячеслава Тулина, они уехали в лихие 90-е годы, когда в стране разразился экономический кризис, который особенно больно ударил по науке.

— Андрей меня всегда поражал своим талантом, идеи сыпались из него как из рога изобилия, причем в самых разных областях, — говорит Тулин. — Кстати, теперь он лауреат сразу двух премий. Когда-то получил так называемую Шнобелевскую за то, что подвесил в магнитном поле лягушку, а теперь удостоен Нобелевки. Открытие графена — это революция в микроэлектронике, она может закрыть эру кремния, и открыть новую — углерода. Графен очень прочен и гибок, поэтому из него можно будет делать мониторы нового поколения. И конечно, этот материал открывает путь к новому поколению экономичных суперкомпьютеров.

По словам Тулина, в институте практически не осталось тех, кто когда-то вел исследования вместе с нынешними лауреатами, так как многие сотрудники уже работают за границей. И Гейм, и Новоселов поддерживают связи со своей «альма матер», у них в университете периодически стажируются ученые из России.

Константин Новоселов родился в 1974 г в России, имеет  российское и британское подданство. Он является профессором  Манчестерского университета. Первой реакцией Новоселова после присуждения ему премии были: «Я в шоке»! По его словам, он вовсе не рассчитывал на получение награды, хотя ему и раньше говорили о такой возможности. «Но я приучил себя не обращать внимание на  разговор», — отметил он. Профессор Андре Гейм родился в России в 1958 г. Он является гражданином Нидерландов. Ученый работает в том же университете, что и его коллега.

Физика является самой успешной номинацией для российских ученых: десять раз они назывались в ней лауреатами Нобелевской премии. В 2003 году Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург совместно с британцем Энтони Легеттом получили эту  престижнейшую награду «за новаторский вклад в теорию сверхпроводников». Нобелевский лауреат 2000 года Жорес  Алферов удостоен премии за разработку концепции  полупроводниковых гетероструктур и ее использованию в оптоэлектронике и электронике высоких скоростей.

Размер премии составляет более одного миллиона евро.

Lenta.ru

Лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года

Лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года. Научный сотрудник Манчестерского университета. Гражданин России и Великобритании.

Константин Сергеевич Новосёлов родился в Нижнем Тагиле 23 августа 1974 года [14], [10]. Он учился в нижнетагильской школе №39, директором которой был его дед Виктор Константинович. Мать Новоселова, Татьяна Глебовна, в той же школе преподавала английский язык [6].

Новоселов был первым участником всесоюзных школьных олимпиад по математике и физике из Нижнего Тагила [9], [6], [14]. В 9 классе Новоселов поступил в заочную физико-техническую школу Московского физико-технического института (МФТИ), решал присылаемые по почте ему задания. Получив «тройку» на вступительном экзамене по математике в Нижне-Тагильском политехническом институте, в 1991 году Новоселов поступил в Московский физико-технический институт (МФТИ) на факультет физической и квантовой электроники. Он окончил его с отличием со специальностью «нанотехнологии» в 1997 году, после чего стал аспирантом в Институте физики твердого тела РАН в Черноголовке [13], [14], [3], [10], [7].

В 1999 году Новоселов переехал в Нидерланды и начал работать в лаборатории высокого магнитного поля Университета Неймегена (University of Nijmegen), где его научным руководителем стал другой выпускник МФТИ Андрей Гейм. В 2001 году Новоселов вслед за Геймом перебрался в Великобританию и стал научным сотрудником Манчестерского университета (University of Manchester), впоследствии получал ряд грантов на исследования в этом университете, c 2007 года работал в университете на стипендию Королевского общества Великобритании по развитию естествознания (Royal Society of London for Improving Natural Knowledge) [13], [3], [4]. В 2004 году Новоселов защитил в Университете Неймегена диссертацию на степень доктора философии (PhD) и в том же году вместе с Геймом открыл графен, двумерный слой графита толщиной в один атом, обладающий хорошей теплопроводностью, большой механической жесткостью и другими полезными свойствами. По словам Гейма, перспективными исследованиями графена он занялся в 2003 году и поначалу помогал ему китайский студент, однако открытие удалось сделать только после того, как работой в этой области занялся Новоселов [10], [8], [13], [11], [4].

В Великобритании Новоселов получил второе гражданство, не отказавшись, впрочем, от российского [3], [9].

Кроме работы над графеном Новоселов вместе с Геймом занимался созданием липкой ленты, использующей механизм прилипания геккона [13]. В 2008 году за открытие графена Новоселов получил приз «Еврофизика», награду молодого ученого от Международного союза фундаментальных и прикладных наук (International Union of Pure and Applied Science) и был назван лучшим молодым ученым Манчестерского университета [13].

В октябре 2010 года Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике «за основополагающие эксперименты с двумерным материалом графеном» [9], [12]. В конце 2011 года ученым за их научные достижения указом британской королевы Елизаветы II был присужден титул рыцарей-бакалавров [1], [2].

Новоселов женат. У него и супруги Ирины в 2009 году родились две дочери-близняшки Вика и Софья [9], [5].

Использованные материалы

[1] New Year honours list: Knights. — Guardian.co.uk, 31.12.2011

[2] Елена Пахомова. Российские нобелевские лауреаты удостоены звания рыцарей-бакалавров. — РИА Новости, 31.01.2011

[3] У Нобелевского лауреата Андрея Гейма, научившего лягушку летать, нашелся «шнобелевский» предшественник. — NEWSru.com, 06.10.2010

[4] Николай Морозов. Один графен на двоих. — Известия, 06.10.2010

[5] Нобелевскую премию лауреат потратит на науку. — LifeNews, 06.10.2010

[6] Тагильский лицей, где учился Нобелевский лауреат, принимает поздравления. — Екатеринбург Он-Лайн (e1.ru), 06.10.2010

[7] Наталия Лукиных, Евгений Катыхин. Нобелевского лауреата в школе называли Константой. — Комсомольская правда, 06.10.2010

[8] Андрей Гейм: от Шнобеля до Нобеля — за 10 лет. — Вести.Ru, 05.10.2010

[9] Русские идут за Нобелевкой. — Московский комсомолец, 05.10.2010

[10] Николай Подорванюк, Александра Борисова. «Нобеля» получили русские физики. — Газета.Ru, 05.10.2010

[11] Renaissance scientist with fund of ideas. — Scientific Computing World. — June/July 2006

[12] The Nobel Prize in Physics 2010. — Nobelprize.org

[13] Curriculum Vitae. — Dr. Kostya Novoselov — Condensed Matter Physics Group (The University of Manchester)

[14] Новоселов, Константин Сергеевич — из личного дела. — Веб-музей МФТИ (museum.phystech.edu)

Графен | химия | Британника

Полная статья

Раскройте науку о графеновых мембранах для опреснения воды

Мембраны из нанопористого графена можно использовать для опреснения воды. Молекулы воды проходят через поры, а ионы соли поворачиваются обратно.

© Массачусетский технологический институт (партнер по изданию Britannica) См. Все видео к этой статье

Графен , двумерная форма кристаллического углерода, либо один слой атомов углерода, образующих сотовую (гексагональную) решетку, либо несколько спаренные слои этой сотовой структуры.Слово графен , когда используется без указания формы (например, двухслойный графен, многослойный графен), обычно относится к однослойному графену. Графен является исходной формой всех графитовых структур углерода: графита, который представляет собой трехмерный кристалл, состоящий из относительно слабо связанных слоев графена; нанотрубки, которые можно представить в виде свитков графена; и бакиболлы, сферические молекулы, сделанные из графена с некоторыми шестиугольными кольцами, замененными пятиугольными кольцами.

Первые исследования графена

Теоретические исследования графена были начаты в 1947 году физиком Филипом Р.Уоллес как первый шаг к пониманию электронной структуры графита. Термин графен был введен химиками Ханнсом-Питером Боем, Ральфом Сеттоном и Эберхардом Штумппом в 1986 году как комбинация слова графит , обозначающего углерод в его упорядоченной кристаллической форме, и суффикса -ен , относящегося к до полициклических ароматических углеводородов, в которых атомы углерода образуют гексагональные или шестигранные кольцевые структуры.

В 2004 году физики из Манчестерского университета Константин Новоселов и Андре Гейм с коллегами выделили однослойный графен с помощью чрезвычайно простого метода отслаивания от графита.В их «методе скотча» использовалась клейкая лента для удаления верхних слоев с образца графита и последующего нанесения слоев на материал подложки. После снятия ленты на подложке осталось немного графена в однослойном виде. На самом деле получение графена само по себе не является сложной задачей; Каждый раз, когда кто-то рисует карандашом на бумаге, карандашный след содержит небольшую долю однослойного и многослойного графена. Достижением манчестерской группы было не только выделение хлопьев графена, но и изучение их физических свойств.В частности, они продемонстрировали, что электроны в графене обладают очень высокой подвижностью, а это означает, что графен может быть использован в электронных приложениях. В 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свои работы.

В этих первых экспериментах подложкой для графена был кремний, естественно покрытый тонким прозрачным слоем диоксида кремния. Оказалось, что однослойный графен создает оптический контраст с диоксидом кремния, достаточно сильный, чтобы сделать графен видимым под стандартным оптическим микроскопом.У такой видимости есть две причины. Во-первых, электроны в графене очень сильно взаимодействуют с фотонами видимого света, поглощая около 2,3% интенсивности света на атомный слой. Во-вторых, оптический контраст сильно усиливается интерференционными явлениями в слое диоксида кремния; это те же явления, которые создают цвета радуги в тонких пленках, таких как мыльная пленка или масло на воде.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Электронная структура графена

Основная электронная структура графена и, как следствие, его электрические свойства очень своеобразны.Применяя напряжение затвора или используя химическое легирование адсорбированными атомами и молекулами, можно создать электронную или дырочную (область, где отсутствует электрон, который действует как положительный электрический заряд) проводимость в графене, аналогичную проводимости, создаваемой в полупроводниках. . Однако в большинстве полупроводников есть определенные энергетические уровни, на которых электроны и дырки не имеют разрешенных квантовых состояний, и, поскольку электроны и дырки не могут занимать эти уровни, для определенных напряжений затвора и типов химического легирования полупроводник действует как изолятор.С другой стороны, графен не имеет изоляторного состояния, и проводимость остается конечной при любом легировании, включая нулевое. Существование этой минимальной проводимости для нелегированного случая — разительное отличие графена от обычных полупроводников. Состояния электронов и дырок в графене, имеющие отношение к транспорту носителей заряда, аналогичны состояниям ультрарелятивистских квантовых частиц, то есть квантовых частиц, движущихся со скоростью света (предельная скорость в природе, согласно теории относительности).

Сотовая решетка графена на самом деле состоит из двух подрешеток, обозначенных A и B, так что каждый атом в подрешетке A окружен тремя атомами подрешетки B и наоборот. Это простое геометрическое расположение приводит к тому, что электроны и дырки в графене обладают необычной степенью внутренней свободы, обычно называемой псевдоспином. Фактически, делая аналогию более полной, псевдоспин имитирует спин или внутренний угловой момент субатомных частиц. В рамках этой аналогии электроны и дырки в графене играют ту же роль, что и частицы и античастицы (например,ж., электроны и позитроны) в квантовой электродинамике. Однако в то же время скорость электронов и дырок составляет всего около 1/300 скорости света. Это делает графен испытательным стендом для физики высоких энергий: некоторые квантовые релятивистские эффекты, которые трудно достижимы в экспериментах с субатомными частицами с использованием ускорителей частиц, имеют явные аналоги в физике электронов и дырок в графене, которые легче измерить и изучить, потому что их более низкой скорости. Примером может служить парадокс Клейна, в котором ультрарелятивистские квантовые частицы, вопреки интуиции, легко проникают через очень высокие и широкие энергетические барьеры.Таким образом, графен обеспечивает мост между материаловедением и некоторыми областями фундаментальной физики, такими как релятивистская квантовая механика.

Открытие графена | Статья

.

Прочтите, как эксперименты Андре Гейма в пятницу вечером привели к открытию графена, одного слоя атомов углерода

Во весь экран во всплывающем окне

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Источник: рассказ Джима Оттавиани, искусство Роджера Лэнгриджа

Графен: полная химическая история

Графен: полная химическая история

20 сен.2019 г. | ООО «АКС МАТЕРИАЛ»

Графен представляет собой двумерный лист плотно упакованных атомов углерода, расположенных в один слой.Его структура напоминает кристаллическую сотовую решетку или своего рода забор из проволочной сетки. Графен представляет собой довольно большую ароматическую молекулу в семействе плоских полициклических ароматических углеводородов. Он состоит из множества аллотропов углерода, таких как графит, углеродные нанотрубки и другие фуллерены. В этом блоге мы подробнее поговорим об истории этого увлекательного материала.

Введение

Графен рассматривается как бесконечный альтернант полициклических ароматических углеводородов.Лучший графен в чистом виде состоит исключительно из гексагональных ячеек. Если присутствуют пятиугольные и семиугольные квадраты, то материал считается бракованным. Требуется одна пятиугольная ячейка, чтобы превратить плоскость в конус, а вставка двенадцати пятиугольников трансформирует графен в форму сферического фуллерена. Например, несколько сложных форм углеродных нанопучок можно создать, добавив контролируемое количество пятиугольников и семиугольников. Однослойную углеродную нанотрубку иногда называют графеновым цилиндром, а некоторые из них имеют графеновый колпачок в форме полусферы с 6 пятиугольниками на каждом конце.

История

Одиночные слои графита можно было наблюдать только в объемных материалах с помощью просвечивающей микроскопии, особенно в саже, извлеченной в этот момент путем химического расслоения. Было предпринято несколько попыток создать тонкие пленки графита путем механического расслоения, начиная с 1990 года и продолжаясь до 2004 года, но самые тонкие листы состояли из 50-100 слоев. Хотя в результате этих попыток не был получен графен, этот материал вызвал значительный интерес, и успех в создании графена в том виде, в каком мы его знаем сегодня, наступит немного позже.В 1947 году Филип Уоллес выдвинул теорию о существовании графена как попытку понять электронные свойства трехмерного графита. Он не использовал термин «графен», а назвал его «одинарным гексагональным слоем». Начиная с 1970-х годов отдельные слои графита выращивались эпитаксиально на других материалах, создавая своего рода «эпитаксиальный графен», или отдельно стоящий графен, гексагональную решетку, состоящую из связанных атомов углерода толщиной в один атом. Термин «графен» впервые появился в 1987 году и использовался для описания отдельных графитовых листов как одного из компонентов соединений интеркаляции графита, или GIC (кристаллические соли интеркаланта и графена).В то время «графен» также использовался для описания углеродных нанотрубок, эпитаксиального графена и полициклических ароматических углеводородов.

Химическое открытие

В 2004 году манчестерская группа под руководством Андре Гейма неожиданно извлекла из графита кристаллиты толщиной в один атом. Это в конечном итоге доказало существование настоящих 2D-кристаллов, таких как графен, который на тот момент считался неспособным существовать в плоском состоянии.

Это открытие графена вызывало скепсис до 2005 года, когда результаты группы Гейма были поддержаны другой группой, возглавляемой Филипом Кимом из Колумбийского университета.Группа Кима опубликовала статью в номере журнала Nature , в которой говорилось, что открытия обеих групп доказали вне всяких разумных сомнений, что полученные ими графитовые слои проявляли электронные свойства, описанные в теории Уоллеса почти шесть десятилетий назад.

Производство

Одним из четырех распространенных методов изготовления графена является химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Процесс включает введение нагретой металлической фольги в различные газы, чтобы нанести слой углерода на поверхность металла.Регулируя скорость потока газа, время воздействия и температуру, вы можете контролировать CVD-рост графена с точки зрения толщины и однородности. Обычно графеновое CVD образует лоскутное одеяло на поверхности металла с непрерывными однослойными областями, охватывающими и в конечном итоге перекрывающими друг друга в некоторых областях.

Рост графена методом CVD сопровождается процессом переноса, который перемещает графен с металлической подложки на другие подложки, чтобы его можно было измерить и использовать в приложениях.В большинстве методов для переноса пленки используется полимер. Химическому осаждению из паровой фазы (CVD) способствует взаимодействие между предшественниками газообразного углерода и подложкой из переходного металла. Медь является наиболее распространенной переходной подложкой из-за того, насколько легко углерод осаждается на медной фольге. Качество графена, полученного при осаждении CVD на меди и других металлах, зависит от растворимости углерода, а также от электронной и кристаллической структуры металла.

Если вы хотите узнать больше о графене, свяжитесь с ACS Material прямо сегодня!

Связанные материальные продукты ACS:

Серия графена

CVD Graphene

Подробный обзор нанопластинок графена

Подробный обзор нанопластинок графена

18 мая 2020 г. | АКС МАТЕРИАЛ, ООО

Наночастицы — это микроскопические частицы, размер которых по крайней мере в одном измерении составляет менее 100 нм.Наночастицы привлекли внимание исследователей и технических специалистов по всему миру практически во всех областях, потому что они представляют собой мост между атомными структурами и объемными материалами. Ученые обнаруживают, что многие свойства сильно зависят от размера; процентное содержание атомов на поверхности частицы оказывает значительное влияние на свойства и производительность. В результате наночастицы демонстрируют свойства, отличные от их объемных аналогов, а иногда и сильно отличающиеся от них.

Графеновые нанопластинки — всего лишь один захватывающий член быстро расширяющейся вселенной наноматериалов на основе графена.Уникальный размер и морфология этих наноразмерных стопок пластинчатых листов графена дает им возможность легко диспергироваться в других материалах, создавая, таким образом, более ценные композитные материалы, которые улучшаются за счет исключительных термических, механических и электрических свойств графена.

Основы

Графен, одинарный слой атомов углерода, был выделен в 2004 году в Манчестерском университете Андре Геймом и Константином Новоселовым. Эти два исследователя использовали листы липкой ленты, чтобы отслаивать отдельные слои от поверхности мягкого графита, а затем наносить слои на подготовленную силиконовую пластину.За свои усилия они получили Нобелевскую премию по физике 2010 года.

Их открытие — графен — представляет собой двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, связанных вместе в гексагональную сотовую структуру. Один лист графена можно увидеть невооруженным глазом! Обычно считается самым тонким из известных в настоящее время соединений, графен также известен своей исключительной прочностью и эластичностью, а также феноменальными тепловыми и электрическими свойствами.

Помимо основ

После выделения графена шлюзы наночастиц открылись.Новые наночастицы открываются и разрабатываются каждый день, и десятки наночастиц на основе углерода исследуются лабораториями и поставщиками графенового материала. Нанопластинки графена — один из многих интересных новых материалов на рынке. Графеновые нанопластинки — это очень просто пластинчатые листы графена, уложенные друг на друга. Эти графитовые стопки имеют среднюю толщину 1-2 нанометра. Они обладают многими из тех же свойств, что и графен, хотя и в меньшем масштабе, но их барьерные свойства лучше.Это означает, что нанопластинки графена можно легко диспергировать в других существующих материалах, чего не может сделать простой графен.

Другими словами, добавление графеновых нанопластинок к существующим материалам улучшает свойства получаемого композита. Улучшаются механические свойства, такие как жесткость, прочность и твердость поверхности, увеличивается электрическая и теплопроводность, а композиты с графеновыми нанопластинками становятся менее проницаемыми для газа. Добавление одного материала — нанопластинок графена — может улучшить сразу несколько свойств, устраняя необходимость во множестве добавок, пленок и ламинатов.В результате нанопластинки графена стали очень востребованным продуктом, который находит применение в широком спектре отраслей и приложений.

Приложения

Где используются нанопластинки графена?

1. Композиты. Графеновые нанопластинки (НЧЗ) широко используются в производстве композитов. Композиты GNP извлекают выгоду из механических, электрических и термических свойств GNP. Автомобильная и авиационная промышленность создают значительный спрос на композиты GNP; Композиты GNP уменьшают вес и повышают топливную экономичность.Строительная промышленность также является областью роста для композитов GNP.
2. Энергия и мощность. GNP используются в электродах, батареях и суперконденсаторах из-за их способности улучшать долговечность, производительность и емкость энергосистем при относительно низкой стоимости. Повышенный спрос на гибридные автомобили подпитывает спрос на ВНП, как и стремительно растущий спрос на легкую и мощную бытовую электронику во всем мире.
3. Краски и покрытия. Чернила и покрытия на основе GNP демонстрируют отличные электрические и термические свойства. Такие продукты, как печатная электроника, RFID-метки, радиаторы, смарт-этикетки и упаковка, — все это открывает возможности для ВНП.

Trust ACS Материал

ACS Material — лидер среди поставщиков графена во всем мире. Наши нанопластинки с графеном производятся в соответствии со строгими стандартами качества, консистенции и чистоты. Мы являемся надежным источником ВНП и других наноматериалов.Выведите свои исследования на новый уровень сегодня с нанопластинками графена от ACS Material.

Неожиданное открытие графена может раскрыть секреты сверхпроводимости

Графен, углеродный материал толщиной в атом, действует как сверхпроводник, когда два листа уложены под определенным углом. Предоставлено: Laguna Design / Getty

.

Сэндвич из двух слоев графена может проводить электроны без сопротивления, если они скручены под «магическим углом», как обнаружили физики.Это открытие может стать значительным шагом в многолетнем поиске сверхпроводников при комнатной температуре.

Большинство сверхпроводников работают только при температурах, близких к абсолютному нулю. Даже «высокотемпературные» сверхпроводники называются так только в относительном смысле: самая высокая температура, при которой они проводят электричество без сопротивления, составляет около -140 ºC. Материал, который демонстрирует свойства при комнатной температуре, устраняя необходимость в дорогостоящем охлаждении, может революционизировать передачу энергии, медицинские сканеры и транспорт.

Физики теперь сообщают, что расположение двух слоев графена атомной толщины так, что структура их атомов углерода смещена на угол 1,1 градуса, делает материал сверхпроводником. И хотя систему все еще нужно было охладить до 1,7 градуса выше абсолютного нуля, результаты показывают, что она может проводить электричество так же, как известные высокотемпературные сверхпроводники, и это взволновало физиков. Результаты опубликованы в двух статьях Nature : ^1, , ^, , ^{, 2,} , 5 марта.

В случае подтверждения это открытие может быть «очень важным» для понимания высокотемпературной сверхпроводимости, говорит Елена Басконес, физик из Института материаловедения в Мадриде. «Мы можем ожидать, что в следующие несколько месяцев начнется бурная экспериментальная деятельность, которая заполнит недостающие части картины», — говорит Роберт Лафлин, физик и лауреат Нобелевской премии Стэнфордского университета в Калифорнии.

Сверхпроводники бывают двух типов: обычные, в которых активность может быть объяснена основной теорией сверхпроводимости, и нетрадиционные, где это невозможно.Последние исследования показывают, что сверхпроводящее поведение графена нетрадиционно — и имеет параллели с активностью, наблюдаемой в других нетрадиционных сверхпроводниках, называемых купратами. Эти сложные оксиды меди, как известно, проводят электричество при температуре до 133 градусов выше абсолютного нуля. И хотя физики в поисках сверхпроводников при комнатной температуре на протяжении трех десятилетий уделяли внимание купратам, лежащий в их основе механизм сбил их с толку.

В отличие от купратов, многослойная графеновая система относительно проста, а материал хорошо изучен.«Поразительный вывод состоит в том, что купратная сверхпроводимость с самого начала была чем-то простым. Просто было трудно правильно рассчитать », — говорит Лафлин.

Волшебный трюк

Графен уже обладает впечатляющими свойствами: его листы, состоящие из одинарных слоев атомов углерода, расположенных в виде шестиугольников, прочнее стали и проводят электричество лучше, чем медь. Он проявлял сверхпроводимость до ³ , но это происходило при контакте с другими материалами, и такое поведение можно объяснить обычной сверхпроводимостью.

Физик Пабло Харилло-Эрреро из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже и его команда не искали сверхпроводимости, когда ставили свой эксперимент. Вместо этого они изучали, как ориентация, названная магическим углом, может повлиять на графен. Теоретики предсказали, что смещение атомов между слоями 2D-материалов под этим конкретным углом может побудить электроны, которые проникают через листы, взаимодействовать интересным образом — хотя они не знали, как именно.

Команда сразу заметила неожиданное поведение при установке двух листов. Во-первых, измерения проводимости графена и плотности частиц, которые несут заряд внутри него, показали, что конструкция превратилась в изолятор Мотта ² — материал, в котором есть все ингредиенты для проведения электронов, но в котором их останавливает взаимодействие между частицами. от течения. Затем исследователи применили небольшое электрическое поле, чтобы ввести в систему всего несколько дополнительных носителей заряда, и она стала сверхпроводником ¹ .По словам Харилло-Эрреро, открытие подтверждается экспериментом за экспериментом. «Все это мы производили на разных устройствах и измеряли с сотрудниками. Это то, в чем мы очень уверены », — говорит он.

Материал, состоящий из двух слоев графена, скрученных под углом 1,1 ° (на рисунке справа), демонстрирует сверхпроводящие свойства. Предоставлено исследователями

Наличие изолирующего состояния, столь близкого к сверхпроводимости, является отличительной чертой нетрадиционных сверхпроводников, таких как купраты.Когда исследователи построили фазовые диаграммы, которые отображают зависимость электронной плотности материала от его температуры, они увидели закономерности, очень похожие на те, что наблюдаются для купратов. Это является дополнительным свидетельством того, что материалы могут иметь общий сверхпроводящий механизм, говорит Харилло-Эрреро.

«Повышение температуры, при которой возникает сверхпроводимость, может иметь феноменальные технологические применения».

Ваш браузер не поддерживает аудио элементы.

Наконец, хотя графен проявляет сверхпроводимость при очень низкой температуре, он делает это с одной десятитысячной электронной плотности обычных сверхпроводников, которые приобретают способность при той же температуре.В обычных сверхпроводниках это явление возникает, когда вибрации позволяют электронам образовывать пары, которые стабилизируют их путь и позволяют им течь без сопротивления. Но при таком небольшом количестве доступных электронов в графене тот факт, что они могут каким-то образом объединяться в пары, предполагает, что взаимодействие, действующее в этой системе, должно быть намного сильнее, чем то, что происходит в обычных сверхпроводниках.

Путаница с проводимостью

Физики категорически расходятся во мнениях относительно того, как электроны могут взаимодействовать в нетрадиционных сверхпроводниках.«Одним из узких мест высокотемпературной сверхпроводимости является тот факт, что мы даже сейчас не понимаем, что на самом деле склеивает электроны в пары, — говорит Робинсон.

Но устройства на основе графена будет легче изучать, чем купраты, что делает их полезными платформами для исследования сверхпроводимости, говорит Басконс. Например, чтобы исследовать корень сверхпроводимости в купратах, физикам часто приходится подвергать материалы воздействию экстремальных магнитных полей. А «настройка» их для изучения различного поведения означает выращивание и изучение множества различных образцов; с графеном физики могут достичь тех же результатов, просто настроив электрическое поле.

Камран Бехниа, физик из Высшего института промышленной физики и химии в Париже, еще не убежден, что команда Массачусетского технологического института может окончательно утверждать, что наблюдала состояние изолятора Мотта, хотя он говорит, что результаты действительно предполагают, что графен является сверхпроводником. , и потенциально необычный.

Физики пока не могут с уверенностью утверждать, что механизм сверхпроводимости в двух материалах одинаков. И Лафлин добавляет, что еще не ясно, все ли поведение, наблюдаемое в купратах, происходит в графене.«Но в этих новых экспериментах присутствует достаточно поведения, чтобы дать повод для осторожного празднования», — говорит он.

Физики «30 лет спотыкались в темноте», пытаясь понять купраты, говорит Лафлин. «Многие из нас думают, что свет только что включился».

История чудес Материал

Я называю наш мир Плоским не потому, что мы его так называем,
, но чтобы прояснить его природу для вас, мои счастливые читатели,
, которым выпала честь жить в Космосе.
~ А. Площадь

Графен, двумерная сотовая решетка из атомов углерода, представляет собой углеродную плоскость. Вверху слева: если мы свернем его в шар, мы получим шары Баки. Если завернуть его в цилиндр, мы получим углеродную нанотрубку. А если сложить листы графена, мы получим графит. Вверху справа: зонная структура графена, которая определяет поведение его электронов. Внизу слева увеличенное изображение структуры полосы. Внизу справа: гибкий графеновый сенсорный экран от Samsung. (Изображение предоставлено Комитетом по присуждению Нобелевской премии и Кимом и др.)

В последние несколько лет вы, вероятно, слышали что-то о графене — будь то в качестве замены кремния, в качестве органического солнечного элемента следующего поколения, в качестве материала для быстро заряжающихся батарей или как один из самых прочных. материалы когда-либо обнаружены. Было так много шумихи, что люди начали называть поток исследований и инвестиций графеновой золотой лихорадкой. В этом посте я расскажу вам об истории графена, о том, что такое графен, и о том, почему людям это нравится.В следующий раз я расскажу вам немного о моем собственном опыте работы с графеном, когда я был студентом.

Теоретическое упражнение

Графен впервые был обсужден в 1946 году канадским физиком Филипом Расселом Уоллесом. Уоллес не верил, что можно сделать графен; то, что его интересовало, было графитом , грифелем карандаша . С графитом, трехмерной сотовой структурой из атомов углерода, было слишком сложно работать с инструментами, доступными для Уоллеса.Всегда находчивый, Уоллес изобрел двумерный аналог, графен, , из которого, как он утверждал, он мог извлечь свойства графита.

Часть оригинальной статьи Уоллеса о графене. Вверху: его аннотация. Внизу: две его фигуры. (Источник: Physical Review Letters.)

Графен представляет собой двумерную сетку атомов углерода, состоящую из атомов углерода , расположенных в шестиугольниках . Уоллес показал, что если вы сложите достаточно листов графена друг на друга, вы получите графит. Поэтому он использовал свои расчеты для графена, чтобы экстраполировать информацию о графите.Мало ли Уоллес знал, что его теоретический материал может быть построен в реальном мире.

Скотч делает все возможное

В 2004 году физики Андре Гейм и Константин Новоселов играли с графитовыми кубиками и скотчем. Они приклеивали ленту к куску графита, затем отрывали ленту, вытягивая ею хлопья графита. Они делали это снова и снова с отслоившимся графитом, разделяя его на более тонкие и тонкие чешуйки, пока (после десяти, двадцати или сотни итераций) они не получили графитовые хлопья толщиной всего в один атом. Материалы не могут быть тоньше одного атома, поэтому этот материал был настолько близок к двумерному, насколько это физически возможно. Гейм и Новоселов изобрели графен Уоллеса .

С тех пор многие другие группы воспроизвели метод Гейма и Новоселова, получивший название «метод скотча». Вы даже можете посмотреть, как делают графен таким образом, на Youtube:

(Спорный вопрос, действительно ли Новоселов и Гейм первыми использовали эту технику или даже первыми открыли графен.Историки графена — по-видимому, это работа сейчас — обнаружили изрядное количество более ранних работ. См. Статью в Википедии для получения более подробной информации.)

Графеновая лихорадка

Открытие Гейма и Новоселова произвело фурор в научном сообществе. Физики были рады проверить, как изменились бы законы физики, если бы электроны были вынуждены жить в двух измерениях вместо трех, поэтому люди приложили много усилий для понимания графена. То, что они обнаружили, было невероятным.

Уникальная зонная структура графена заставляет электроны в материале всегда двигаться с одинаковой скоростью и никогда не останавливаться, что бы ни происходило с материалом.Это заставляет их вести себя так же, как свет в специальной теории относительности. Это также означает, что мы можем превратить графен в абсурдно хороший проводник, который очень быстро реагирует на приложенное напряжение. Еще лучше, поскольку графен такой тонкий, это так называемый прозрачный электрод : проводящий материал, который мы можем видеть насквозь. Это большое дело! По самой природе проводимости предметы, которые могут проводить электричество, обычно непрозрачны. Однако графен настолько тонкий, что не может блокировать, отражать или поглощать весь падающий на него свет.

Физики также обнаружили, что сотовая структура атомов углерода графена невероятно прочна. Фактически, графен — один из самых прочных материалов.

В этот момент повсюду начали появляться предлагаемые приложения для графена. Началась золотая лихорадка.

Несколько слов предостережения

Графен произвел фурор как в финансовом, так и в научном мире. Многие, многие люди уже инвестировали в бизнес, основанный на графене.А когда на кону деньги, люди склонны переоценивать свои идеи. Это означает, что существует множество рекламных объявлений и рекламных кампаний, посвященных идеям на основе графена, которые могут не сработать.

Некоторые коммерческие предприятия, связанные с графеном, несомненно, увенчаются успехом. Некоторые из них могут даже привести к кардинальным изменениям в технологиях. (И все коммерческие предприятия с графеном — это круто.) Однако вы должны относиться ко всей шумихе вокруг графена с недоверием.

Статьи по теме

• Одна из особенностей графена — это его зонная структура.Я уже писал о структуре группы раньше, и вы можете найти мою статью здесь.
• Зонная структура означает, что электроны в графене ведут себя как фотоны. Вы можете понять, почему это странно, в моей статье о том, что скорость света постоянна.

На этом пока все. В следующий раз я расскажу о своем личном опыте работы с графеном.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

Обнаружен новый тип атомно-тонкого углеродного материала

Структура новой углеродной сети.В верхней части схематично показано соединение атомов углерода, образующих квадраты, шестиугольники и восьмиугольники. Нижняя часть — изображение сети, полученное с помощью микроскопии высокого разрешения. Предоставлено: Марбургский университет, Университет Аалто

.

Углерод существует в различных формах. Помимо алмаза и графита, недавно были обнаружены формы с удивительными свойствами. Например, графен толщиной всего в один атомный слой является самым тонким из известных материалов, а его необычные свойства делают его чрезвычайно привлекательным кандидатом для таких приложений, как электроника будущего и высокотехнологичная инженерия.В графене каждый атом углерода связан с тремя соседями, образуя шестиугольники, образующие сотовую сеть. Теоретические исследования показали, что атомы углерода могут также располагаться в других плоских схемах сети, при этом все еще связываясь с тремя соседями, но ни одна из этих предсказанных сетей не была реализована до сих пор.

Исследователи из Марбургского университета в Германии и Университета Аалто в Финляндии открыли новую углеродную сеть, которая атомарно тонка, как графен, но состоит из квадратов, шестиугольников и восьмиугольников, образующих упорядоченную решетку.Они подтвердили уникальную структуру сети с помощью сканирующей зондовой микроскопии и обнаружили, что ее электронные свойства сильно отличаются от свойств графена.

В отличие от графена и других форм углерода, новая бифениленовая сетка — как называется новый материал — обладает металлическими свойствами. Узкие полоски сетки, шириной всего 21 атом, уже ведут себя как металл, в то время как графен такого размера является полупроводником. «Эти полосы могут быть использованы в качестве проводящих проводов в будущих электронных устройствах на основе углерода.- сказал профессор Майкл Готфрид из Марбургского университета, возглавляющий группу разработчиков этой идеи. Ведущий автор исследования Цитанг Фан из Марбурга продолжает: «Эта новая углеродная сеть может также служить в качестве превосходного анодного материала в литий-ионных батареях с большей емкостью лития по сравнению с нынешними материалами на основе графена».

Команда из Университета Аалто помогла создать изображение материала и расшифровать его свойства. Группа профессора Питера Лилджерота провела микроскопию с высоким разрешением, которая показала структуру материала, в то время как исследователи под руководством профессора Адама Фостера использовали компьютерное моделирование и анализ, чтобы понять захватывающие электрические свойства материала.

Новый материал изготовлен путем сборки углеродсодержащих молекул на чрезвычайно гладкой золотой поверхности. Эти молекулы сначала образуют цепи, которые состоят из связанных шестиугольников, а последующая реакция соединяет эти цепи вместе, образуя квадраты и восьмиугольники. Важной особенностью цепочек является то, что они хиральные, что означает, что они существуют в двух типах зеркального отражения, таких как левая и правая рука. Только цепи одного типа собираются на поверхности золота, образуя упорядоченные сборки, прежде чем соединиться.Это критически важно для образования нового углеродного материала, потому что реакция между двумя разными типами цепочек приводит только к графену. «Новая идея состоит в том, чтобы использовать молекулярные предшественники, которые настроены для получения бифенилена вместо графена», — объясняет Линхао Ян, который проводил эксперименты по микроскопии с высоким разрешением в Университете Аалто.

На данный момент команды работают над производством листов материала большего размера, чтобы можно было дополнительно изучить возможности его применения. Однако «Мы уверены, что этот новый метод синтеза приведет к открытию других новых углеродных сетей.

No related posts.