"Графен – материал будущего". Конференция, посвященная присуждению Нобелевской премии по физике в 2010 г. А. Гейму и К. Новоселову

Презентация

Ведущий 1: Сегодня мы познакомимся с открытием российских ученых Андрея Гейма и Константина Новоселова, за которое они были удостоены в 2010 году Нобелевской премии по физике. Нобелевский комитет при Шведской королевской академии наук присудил премию по физике Андрею Гейму и Константину Новоселову за "новаторские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена". Оба лауреата - выходцы из Советского Союза: Андрей Гейм родился в 1958 году в Сочи, Константин Новоселов - в 1974 году в Нижнем Тагиле.

Таким образом, Костя Новоселов - именно так его обычно именуют в научном мире на Западе - стал теперь самым молодым нобелевским лауреатом по физике. А Андрей Гейм - первым ученым, удостоившимся настоящей Нобелевской премии после получения так называемой Шнобелевской премии.  Эта награда присуждается раз в год за научные достижения, "которые сначала вызывают смех, а затем заставляют задуматься", была ему присуждена в 2000 году за использование магнитного поля для демонстрации левитации лягушек. Сегодня оба новоиспеченных лауреата "большой" Нобелевской премии работают бок о бок в Великобритании, в Манчестерском университете.

Ведущий 2: Но сначала обратимся к открытиям всех предшествующих физиков - Нобелевских Лауреатов. В этой газете в хронологической последовательности представлены их работы. А вклад российских ученых - Нобелевских Лауреатов отражен в материалах другой газеты. Хочется отметить, что большинство из этих ученых были преподавателями или сотрудниками Московского физико-технического института.

Ведущий 1: Гейм и Новоселов являются выпускниками МФТИ. На слайде вы видите студенческие фотографии и зачетки с отличными оценками будущих Лауреатов. Так что же такое графен?

Выступающий 1:

Пусть в нашем распоряжении имеется наиболее встречаемая в природе разновидность углерода - графит. Графит - сильно анизотропное вещество; он состоит из слабо взаимодействующих плоских слоев атомов углерода. То, что связь между атомными плоскостями слабая, можно наблюдать в процессе рисования карандашом на бумаге, когда слои графита легко смещаются и отсоединяются, оставляя на бумаге след.

Предположим, что нам каким-то образом удалось "отщепить" от кристалла графита одну атомарную плоскость.

Демонстрация: пространственная кристаллическая решетка графита

Полученный единичный слой атомов углерода и есть графен. Так что можно считать, что графит - это такой штабель графеновых плоскостей.

Атомы графена собраны в гексагональную кристаллическую решетку (по типу пчелиных сот); расстояние между соседними атомами 0,142 нм. Эта "упаковка" настолько плотная, что она не пропускает даже маленькие атомы гелия.

Хотя термин "графен" в качестве название единичного слоя графита появился относительно недавно, в 1987 году, теоретическое изучение свойств этого вещества началось еще в далеком 1947 году. Однако до 2004 года получить графен не удавалось. Главное препятствие, стоявшее на пути экспериментаторов, заключалось в невозможности стабилизировать форму графена. Из-за стремления минимизировать свою поверхностную энергию он сворачивается, трансформируясь в разнообразные аллотропные модификации углерода - фуллерены, нанотрубки и аморфный углерод. (Примерно так ведет себя свернутый в рулон лист ватмана, когда вы пытаетесь его распрямить.)

Не добавляло оптимизма исследователям и заявление авторитетных физиков-теоретиков Рудольфа Пайерлса и Льва Ландау, сделанное более 70 лет назад, о том, что двумерная форма кристаллов не может свободно существовать, поскольку смещения атомов под действием тепловых флуктуаций будут настолько велики, что это приведет к дестабилизации кристаллической решетки и ее распаду на отдельные участки. Тем неожиданнее для научного сообщества стала статья Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, вышедшая в октябре 2004 года в журнале Science, в которой группа ученых из Манчестерского университета и Института проблем технологии микроэлектроники в Черноголовке под руководством Андрея Гейма и Константина Новосёлова сообщила об успешной стабилизации графена. В этой работе они описали методику получения графена и его идентификации как действительно единичного слоя графита. Невероятно, но синтез графена ученые осуществили с помощью обычной ленты-скотча. Они раз за разом наклеивали скотч на поверхность пластинки пиролитического графита, а затем ее отклеивали, повторяя процедуру до тех пор, пока графит не станет совсем тонким.

Демонстрация: видеозаписи сообщений об открытии и получении графена.(WWW.1tv.ru; 10.10.2010. Русские ученые из Манчестера получили Нобелевскую премию за открытие графена)

Ведущий 1: С помощью несложного эксперимента и мы с вами сможем попробовать получить графен. Наносим измельченный графит на ленту скотча и, многократно складывая ленту, пытаемся получить как можно тонкий слой графита на ней. Собственно, именно так этот новый материал и был впервые получен: ученые провели мягким графитовым карандашом по бумаге, затем "промокнули" ее клейкой лентой - наподобие того, как это делают криминалисты, снимающие отпечатки пальцев с обнаруженной на месте преступления бутылки

Ведущий 2: Эта немыслимо тонкая, практически не имеющая толщины пленка обладает, как оказалось, рядом ценных, а порой и весьма необычных свойств.

Выступающий 2: Представьте себе материал в миллион раз тоньше листа писчей бумаги! Казалось бы, он должен быть крайне непрочным. Ничего подобного, напротив! Гексагональная кристаллическая структура - своего рода плоские пчелиные соты из атомов углерода - придает графену гибкость, прочность, эластичность, а главное - высокую стабильность, в том числе и при комнатной температуре.

Механические свойства графена позволят создать новые прочные, тонкие и эластичные материалы, которые можно будет использовать, например, в самолетостроении и в автомобильной  промышленности. Цена вопроса - чуть ли не триллионы долларов. Исследователи из Колумбийского университета заявили, что графен является самым прочным материалом, который когда-либо измерялся. Чтобы порвать пленку графена толщиной в 0,01 мм, понадобится слон, при этом его вес должен уместиться на площади равной кончику карандаша.

Для наглядности рассмотрим гипотетический гамак из графена площадью 1 м². Зная поверхностную плотность графена (0,77 мг/м²), нетрудно посчитать, что такой гамак имеет массу 0,77 миллиграмм. Несмотря на кажущуюся хрупкость, этот гамак спокойно выдержит взрослого кота (массой приблизительно 4 кг). И хотя из-за двумерности графена сравнивать его прочностные характеристики с другими 3D-материалами некорректно, для стального гамака такой же толщины "критическая" масса, приводящая к разрыву, была бы в 100 раз меньше. То есть графен на два порядка прочнее стали, точнее в 200 раз.

Что же касается оптических свойств, то графен поглощает лишь около 2,3% видимого света независимо от того, какую длину волны имеет падающее на него излучение. Это означает, что графен практически бесцветен (то есть стороннему наблюдателю будет казаться, что никакого графенового гамака нет, а кот завис в воздухе). Почти полная прозрачность графена предполагает использование его в сенсорных экранах, а если вспомнить о его "сверхтонкости", то понятны перспективы его применения для будущих гибких компьютеров(которые можно свернуть в трубочку подобно газете), часов-браслетов, мягких световых панелей.

Выступающий 3: Графен обладает высокой электропроводностью. Это последнее свойство делает его особенно привлекательным материалом для электронной отрасли, - говорит профессор Гейм: "Для полупроводниковой промышленности очень важно иметь материалы, в которых носители электрического заряда могли бы передвигаться без помех. Ведь повсюду, где электроны рассеиваются на кристаллической решетке, выделяется тепло. Эти потери, в конечном счете, и ограничивает рабочую частоту электронных компонентов. В самом распространенном полупроводниковом материале - кремнии - электроны могут передвигаться относительно свободно. Но, скажем, у арсенида галлия этот показатель в шесть раз выше. Поэтому в мобильных телефонах и приемниках спутниковых сигналов сегодня используются микропроцессоры на основе арсенида галлия".Графен - рекордсмен по подвижности электронов. Эта величина показывает, насколько свободно носители заряда могут передвигаться внутри материала. То, что в графене этот показатель исключительно высок, стало ясно сразу же после открытия нового материала: профессор Гейм уже тогда отмечал, что в графене электроны преодолевают расстояния, в тысячи раз превышающие межатомные, не рассеиваясь и вообще практически не реагируя на внешнюю среду. Дальнейшие измерения показали, что по подвижности электронов графен превосходит все известные твердые вещества.

"В графене подвижность электронов в 10 - 20 раз выше, чем в арсениде галлия, который применяется довольно широко именно потому, что характеризуется высокой подвижностью носителей заряда, - поясняет Андрей Гейм. - Это значительный качественный скачок, который открывает новые перспективы в разработке более быстрых электронных компонентов. 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. Нынешние компьютеры на кремниевых или арсенид-галлиевых микропроцессорах работают с тактовой частотой, измеряемой в мегагерцах и гигагерцах. Графен же позволит создать чипы, пригодные для терагерцовых, то есть в 1000 раз более высоких частот" Профессор Гейм уверен, что со временем графен изменит повседневную жизнь человека не менее радикально, чем это некогда сделали полимеры

Выступающий 4: В настоящее время наиболее обсуждаемым и популярным проектом является использование графена как нового "фундамента" микроэлектроники, призванного заменить существующие технологии на базе кремния, германия и арсенида галлия Высокая подвижность зарядов вместе с атомарной толщиной делают графен идеальным материалом для создания маленьких и быстрых полевых транзисторов - "кирпичиков" микроэлектронной промышленности. Сотрудники лаборатории IBM, сумели создать графеновый транзистор, работающий на частоте 100 ГГц (это в 2,5 раза превышает быстродействие транзистора того же размера, изготовленного на кремниевой основе).

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.

Сочетание прозрачности, хорошей электрической проводимости и эластичности графена привело к мысли использовать его при создании сенсорных дисплеев и фотоэлементов для солнечных батарей. В ходе экспериментов было доказано, что почти по всем показателям устройства подобного рода на основе графена лучше, чем используемые сейчас устройства на основе оксида индия-олова (сокращенно ITO).

Выступающий 5: Чтобы показать, насколько перспективен графен, приведем далеко не полный список областей, где его использование уже началось:

• это материал для изготовления электродов в ионисторах - конденсаторах с огромной емкостью, порядка 1 Ф (фарад) и больше;(Слайд )
• на основе графена создаются микрометровые газовые сенсоры, способные "почувствовать" даже одну молекулу газа; (Слайд )
• с помощью графена ученые провели секвенирование ДНК;
• в комбинации с лазером графен может оказаться лекарством от рака.

Справедливости ради заметим, что успехи, связанные с применением графена, носят пока что единичный характер. Основные трудности заключаются в синтезе высококачественных недорогих листов графена большой площади, имеющих стабильную форму. Тем не менее последние публикации, посвященные получению графена, внушают определенный оптимизм. В июне этого года в журнале Nature Nanotechnology появилась совместная статья корейских, сингапурских и японских технологов, в которой они пишут о получении 30-дюймовых (72 см; сравните с микрометровыми размерами первых кристаллов графена) графеновых листов методами, которые, возможно, поставят производство двумерного углерода на поток.) И тогда, наверное, поутихнут разговоры о том, что Нобелевская премия по физике за 2010 год была выдана графену как своеобразный аванс на будущее.

В сообщении Шведской академии о присуждении премии говорится, что в будущем из пластика с добавлением графена могут производиться спутники, самолеты и автомобили, необыкновенно легкие и прочные.

Вы сами подумайте: у вас есть материал, самый тонкий из всех, которые можно создать. Это самый прочный материал, который можно получить, самый эластичный, самый проводящий, у него есть еще с десяток свойств, к которым применимо слово "самый".

Выступающий 6:

Графен - материя толщиной в атом. Графен похож на ткань. Только в 200 раз прочнее стали. Прозрачный, тонкий, не рвется, зато тянется и гнется во все стороны. Это снаружи. А внутри скорость перемещения электронов в нем в 200 раз выше, чем в кремнии, на базе которого сейчас работает вся микроэлектроника. В сущности, с приходом графена эту самую микроэлектронику ждет технологическая революция. Гаджеты станут на порядки легче, быстрее, компактнее, многофункциональнее. Южные корейцы уже сейчас вовсю демонстрируют рекламный фильм о возможностях графеновых дивайсов. В их представлении это такие тонкие гибкие пластинки, которые совместят в себе все, что вам вообще может потребоваться для связи и получения информации: мобильный телефон, телевизор, интернет, навигатор: Мы что-то забыли?

Это типичные нанотехнологии. Великий углерод, став когда-то основой жизни биологической, вот-вот, похоже, станет основой жизни микроэлектронной. Весь вопрос в технологии получения, над которыми работает сейчас чуть ли не весь мир. Основные трудности заключаются в синтезе высококачественных недорогих листов графена большой площади, имеющих стабильную форму. В июне этого года в журнале Nature Nanotechnology появилась совместная статья корейских, сингапурских и японских технологов, в которой они пишут о получении 30-дюймовых (72 см) графеновых листов методами, которые, возможно, поставят производство двумерного углерода на поток. И тогда, наверное, поутихнут разговоры о том, что Нобелевская премия по физике за 2010 год была выдана графену как своеобразный аванс на будущее. Если технология окажется рентабельной, нас ждет новый, совершенно новый мир.

Выступающий 7:

Открытие Андрея Гейма Константина Новоселова спровоцировало настоящую графеновую лихорадку. Изученные свойства графена позволяют говорить об уникальном сочетании уникальных свойств этого материала. Потенциальные области применения графена включают:

• замену углеродных волокон в композитных материалах, с целью создания более легковесных самолетов и спутников;
• замена кремния в транзисторах;
• внедрение в пластмассу, с целью придания ей электропроводности;
• датчики на основе графена могут обнаруживать опасные молекулы;
• прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и для мониторов;
• более устойчивые к механическому воздействию медицинские импланты;
• улучшение тачскринов;
• наноленты из графена отправят в утиль компактдиски;
• герметичные пластиковые контейнеры, которые позволят неделями хранить в нем еду, и она будет оставаться свежей и т.д.

И это всего лишь вершина айсберга возможностей применения графена. Представьте себе последствия хотя бы только компьютерной революции. IBM уже продемонстрировала 100 GHz транзистор на основе графена и заявила, что на горизонте уже маячит процессор мощностью в 1 THz. Графен предоставляет неограниченные возможности практически во всех областях индустрии и производства.

Завершающим этапом научно-практической конференции явилась викторина, состоящая из вопросов, представленных на слайдах компьтерной презентации, и награждение наиболее активных участников.

Литература:

Интернет-ресурсы

1. Видиофрагмент ТВ передачи "Вести"
2. Википедия. Свободная энциклопедия
3. Лекции лауреата Нобелевской премии по физике 2010 г. К.Новоселова о графене, прочитанная для участников III Международного Форума по нанотехнологиям), а также видеозапись мастер - класса
4. WWW.1tv.ru; 10.10.2010. Русские ученые из Манчестера получили Нобелевскую премию за открытие графена
5.  Предложен способ лечения рака с помощью графена и лазера, "Элементы", 07.09.2010.
6. WWW.1tv.ru; 11.09.2011. В 12- часовых новостях на первом канале сюжет о визите К.Новоселова в Москву с рассказом о применении графена.