От «Шнобеля» к «Нобелю»
Материал графен, за создание которого вручена Нобелевская премия по физике за 2010 год, уникален. По оценкам экспертов, он совершит революцию в электронике, позволив в будущем в тысячи раз увеличить скорость компьютеров.
Андрей Гейм однажды уже получил премию. Правда, Антинобелевскую, или Шнобелевскую, которая присуждается за самые нелепые эксперименты. «Шнобеля» ему дали за то, что он учил лягушку летать… при помощи двух магнитов. Такая уничижительная оценка его научных трудов, однако, не помешала ученому получить и настоящего «Нобеля». Подобная коллизия встретилась в мировой науке впервые.
Мировое открытие при помощи скотча
Теоретически графен был предсказан полвека назад. В структуре графита, знакомой нам со школьной скамьи, атомы углерода, взаимодействуя, образуют тонкие слои, которые многократно наслаиваются друг на друга. Проблема была в том, чтобы отделить один-единственный слой, состоящий из шестиугольных ячеек, состыкованных друг с другом, как пчелиные соты, от всех остальных. Для одиночного слоя этого двумерного кристалла предсказывалась масса интересных физических свойств, ставилось множество экспериментов. Но добиться устойчивых результатов не удавалось.
Андрей Гейм и Константин Новоселов придумали способ выделения этого слоя. Их метод очень прост: ученые взяли обычный стержень от карандаша, липкой лентой сняли с него слой графита, а затем начали его отшелушивать, опять-таки при помощи скотча. Когда оставались 1—2 слоя, графит переносили на кремниевую подложку. Далее исследователи доказали в эксперименте, что слой действительно один. Они смогли измерить его физические свойства и проверить, что теоретические предсказания верны.
Конечно, тут же возникла проблема: как снять пленку с основы и перенести, к примеру, на монитор? Долгое время эксперименты не удавались, потому что (и это предсказывалось теоретически) графеновая пленка крайне неустойчива к скручиванию. Чуть только она оказывалась в свободном состоянии, немедленно начинала комкаться. Но Гейму и Новоселову с этой проблемой справиться удалось. Открытие ученых было сделано в 2004 году, а в 2009-м получен лист графена почти сантиметровой длины. Сейчас уже речь идет о десятках квадратных сантиметров.
После открытия материала к его изучению подключились ученые многих стран и научных центров. Ведется поиск оптимальной технологии получения графена. Более того, недавние исследования показали, что существует целый класс двумерных кристаллов различного химического состава.
Революционная ситуация в микроэлектронике
На сегодняшний день графен является самым тонким и прочным материалом. Он проводит электрический ток и при этом практически прозрачен. Последнее свойство делает его перспективным материалом для создания, например, сенсорных дисплеев нового поколения. Графен непроницаем для газов, так что его можно использовать, например, как тончайшее покрытие для защиты от коррозии.
Но прежде всего это уникальный материал для наноэлектроники. В Монреале на конференции NanoTubes-2010 фирма Samsung демонстрировала гибкие дисплеи с диагональю до 70 см, где один из проводящих электродов сделан из графена. Другое направление — высокопроводящие прозрачные покрытия, солнечные батареи.
«Будущее устройств на основе графена фантастично. Он обладает поистине сногсшибательными свойствами. Если технология получения графена будет доведена до промышленных масштабов, то нас ожидает революция в электронике», — заявил нобелевский лауреат Жорес Алферов. Судя по некоторым сообщениям, именно на разработку устройств на основе графена будут направлены усилия российских ученых, в том числе и в создаваемом научном центре в Сколково. Что касается Украины, то наши ученые в этой области пока в большей степени являются наблюдателями.
Хомяк как соавтор нобелевского лауреата
Андрей Гейм, сын сочинских инженеров, в 1982 году окончил Московский физико-технический институт. В 1987-м получил степень кандидата физико-математических наук в Институте физики твердого тела АН СССР. «Это был, конечно, задел на всю жизнь. Такого образования не получишь ни в Кембридже, ни в Гарварде — нигде», — утверждает Гейм. И добавляет: «А вот экспериментальная база науки представляла собой печальное зрелище…» Поэтому, когда в 1990 году представилась возможность поработать в научном центре в Англии, он выехал из России. Получил голландское гражданство. Последние 10 лет руководит центром по мезонауке и нанотехнологиям Манчестерского университета, куда и вызвал своего ученика Константина Новоселова.
В тандеме новых лауреатов лидером является Гейм. Надо сказать, что он вполне соответствует своей фамилии, которая с английского переводится как «игра». Так, в 1997 году в журнале European Journal of Physics ученый опубликовал статью «О летающих лягушках и левитронах», где поведал об экспериментах с несчастными земноводными. Именно эти опыты и были оценены Шнобелевской премией. Но Андрей Константинович отнюдь не стал более степенным. В 2001 году при публикации статьи «Обнаружение вращения Земли с помощью диамагнетически левитирующего гироскопа» Гейм в качестве соавтора указал… своего любимого хомячка Тишу, который значился как H.A.M.S. ter Tisha и, по словам ученого, внес самый прямой вклад в работу. Да и идея получения графена при помощи банальной липкой ленты говорит о парадоксальном и игровом складе мышления ученого. Пожалуй, академик, поглощенный одними только формулами, до такого бы не додумался.
