Андрей Константинович Гейм, Константин Сергеевич Новоселов и их вклад в науку
В будущем, несомненно, нанотехнологии, которым сейчас уделяется столь пристальное внимание, будут играть важную роль в жизни человека. Новые конструкционные материалы, электроника, лекарства, приборы — все это, построенное на основе нанодостижений, будет обладать уникальными свойствами. Сейчас в этой области работают тысячи ученых по всему миру, и многие открытия сделаны нашими соотечественниками.
Нобелевская премия по физике за 2010 год вручена двум ученым, некогда работавшим в России, — Андрею Гейму и Константину Новоселову.
Награда им досталась за работы в области нанотехнологий, а именно — за изобретение технологии получения графена и его производства в количествах, достаточных для изучения физических и химических свойств.
Нужно сразу сказать, что Нобелевский комитет в этом случае не стал долго ждать, а присудил премию через пять лет после открытия. Такое случается крайне редко — обычно ученые получают премию через десятки лет после изобретений и открытий. А то, что работы над графеном были оценены так быстро, может говорить лишь об одном:
нанотехнологии являются едва ли не самым перспективным направлением, а графен станет материалом, который в будущем изменит облик нашего мира.
Так что же такое графен и почему его создание было отмечено высшей научной наградой? Это удивительный материал, обладающий уникальными свойствами и способный «заткнуть за пояс» алмаз, многие современные композиты, металлы и полимеры.
Но не стоит думать, что графен — что-то принципиально новое, сродни неизвестному химическому элементу. Нет, это одна из так называемых аллотропных модификаций углерода, «родственник» алмаза и обычного графита, а все его уникальные свойства обусловлены строением кристаллической решетки.
Особенность графена — двумерная кристаллическая решетка, в которой атомы углерода образуют правильные шестиугольники, как в пчелиных сотах.
Двумерной она называется потому, что все атомы углерода располагаются в одной плоскости, то есть графен — это плоский лист толщиной всего в один атом, но он крайне прочен, так как атомы углерода в гексагональной структуре (гексагон — шестиугольник) образуют друг с другом наиболее сильные химические связи.
Материал был получен в 2005 году русскими учеными Андреем Геймом и Константином Новоселовым, работающими в Манчестерском университете. Однако впервые о графене заговорили еще до Второй мировой войны.
Как известно, кристаллическая решетка обычного графита имеет слоистое строение: она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом, относительно слабо соединенных друг с другом. Графит потому и может использоваться для письма и рисования, что при контакте с шершавой поверхностью от него отделяются тонкие чешуйки, образованные несколькими слоями кристаллической решетки.
При изучении свойств графита его кристаллическую решетку удобно рассматривать именно послойно, а каждый такой слой — это и есть графен! Ведь атомы углерода образуют правильные шестиугольники, а сам слой является двумерным, то есть плоским.
Попытки получить отдельные одноатомные слои графита в «свободном состоянии» (то есть графена) предпринимались уже давно, однако долгое время успеха в этом направлении добиться не удавалось. Изменить ситуацию смогли Гейм и Новоселов.
Эксперимент Гейма и Новоселова внешне выглядел просто и даже забавно: к обычному (хотя и тщательно подобранному) стержню графитного карандаша приклеивалась и отрывалась липкая лента (или всем нам известный скотч).
На ней оставалось какое-то количество графитовых чешуек разной толщины. Далее к скотчу приклеивался и отрывался другой кусочек скотча — благодаря этой простой операции от чешуек отрывались лишние слои, а после многократного повторения процедуры на ленте оставался графен. Но, для того чтобы тонкий «лист» графена не сворачивался в трубочку (а он почти всегда стремится это сделать), его необходимо жестко закрепить на какой-то подложке. Гейм и Новоселов для этого использовали оксид кремния, во многом благодаря которому и удалось получить «настоящий» плоский графен.
Графен невозможно увидеть без микроскопа, да и манипулировать им не так-то просто, но ученые смогли преодолеть эти трудности с помощью мощных микроскопов и точных инструментов. Позже были разработаны и другие способы получения графена, ведь с использованием скотча невозможно производить этот наноматериал в промышленных масштабах.
В настоящее время изучение графена все еще продолжается, но уже разработаны технологии получения идеально плоских кристаллических решеток и придумано множество способов применения этого материала. Графен может стать новой основой для производства транзисторов и микросхем, а также уникальных по свойствам конденсаторов. Из графена можно изготавливать сверхчувствительные сенсоры, определяющие присутствие и положение отдельных молекул. На основе материала уже разработаны новые светодиоды и другие электронные приборы. Наконец, он может стать конструкционным материалом для разнообразных устройств, обладающих наноразмерами.
Сейчас сфера нанотехнологий — одна из самых перспективных и быстроразвивающихся. Многие ученые небезосновательно считают, что именно за ней будущее. Поэтому вполне справедливо, что физики, создавшие графен, получили Нобелевскую премию.
Краткие биографии
Андрей Константинович Гейм родился 21 октября 1958 года в Сочи. В 1975-м с отличием окончил школу в Нальчике, пытался поступить в Московский инженерно-физический институт, но не удачно. Через год стал студентом Московского физико-технического института, в 1982-м окончил аспирантуру, в 1987-м получил степень кандидата физико-математических наук.
В 1990 году уехал в Великобританию, несколько позже стал подданным Королевства Нидерландов. Работал в нескольких институтах, с 2001-го и до настоящего времени — сотрудник Манчестерского университета, занимает несколько руководящих должностей.
Ведет исследования в различных областях науки, в 2005-м совместно с Константином Новоселовым создал технологию получения графена, за что через пять лет был удостоен Нобелевской премии по физике.
Константин Сергеевич Новоселов родился 23 августа 1974 года в Нижнем Тагиле. В 1991-м окончил школу, поступил в Московский физико-технический институт, с отличием окончил его в 1997-м. Работал в Институте проблем технологии микроэлектроники РАН, учился в аспирантуре. В 1999 году уехал в Нидерланды, где стал аспирантом Гейма в Университете Неймегена. Вместе с ним в 2001-м перешел в Манчестерский университет. Имеет двойное гражданство — России и Великобритании. С 2004 года — доктор философии, является профессором и членом Королевского научного общества. В 2005-м участвовал в разработке технологии производства графена, за что в 2010-м вместе с Андреем Геймом получил Нобелевскую премию по физике.