Около нобелевской премии за графен. Как «мусорные физики» из России получили Нобелевскую премию О семье и жизни

Два выходца из России - Андре Гейм и Константин Новоселов, ныне работающие в Манчестерском университете в Великобритании, - удостоены Нобелевской премии по физике за разработку графена - нового материала с уникальными свойствами, сообщает The Wall Street Journal .

"Путь к Нобелевской премии начался для ученых с банального кусочка скотча и графитового карандашного стержня", - повествует автор публикации. Несколько лет назад Гейму и Новоселову понадобилась тонкая пластина графита для исследования его электропроводящих свойств. Они попробовали "ободрать" тончайшие слои с карандашного стержня, наклеивая и снимая скотч. В итоге удалось получить материал толщиной всего в один атом. Материалы толщиной в один атом - особенные: по своим свойствам они совершенно непохожи на стандартные трехмерные, заметил Гейм.

По мнению ученого, графен идеально подходит для производства быстродействующих транзисторов и в отдаленном будущем может вытеснить кремний. В феврале появилась публикация о графеновом транзисторе, работающем в диапазоне радиочастот, а в июне японские и корейские ученые презентовали первый сенсорный экран из графена, сообщает издание.

Кристаллы толщиной в один атом или одну молекулу - это чудо-материалы, поясняет на страницах The New Scientist сам Андре Гейм. Графен "тверже и прочнее алмаза, но растягивается на четверть своей длины, точно резина", поясняет ученый. Графен не пропускает газы и жидкости, проводит тепло и электричество лучше, чем медь. Графеновые транзисторы работают быстрее кремниевых, с графеном можно проводить небывалые эксперименты в сфере квантовой механики, считает новоиспеченный нобелевский лауреат.

Нобелевскую премию по физике редко получают в 36 лет, нечасто и в 51, но именно таков возраст Константина Новоселова и Андрея Гейма - двух ученых российского происхождения, награжденных в этом году премией, обычно присуждаемой ветеранам научного поприща, пишет испанская El Mundo .

"Несмотря на свою молодость, два российских физика за последние годы уже получили такие престижные премии, как EuroPhysics (2008) и премия Кёрбера. Нобелевская премия, присужденная во вторник, венчает череду наград за открытие графена - нового двухмерного материала с уникальными характеристиками, который через несколько лет способен совершить революцию в электронных устройствах", - отмечает корреспондент.

"Помимо страсти к физике, Андрей Гейм на протяжении всей карьеры демонстрировал отличное чувство юмора", - продолжает издание. В 2001 году он опубликовал работу о вращении Земли в соавторстве с неожиданным коллегой - хомяком Тишей, а 2000 году ему была присуждена Шнобелевская премия за использование магнитного поля для левитации лягушек. По мнению Гейма, чувство юмора и любопытство - два качества, необходимые для хорошего ученого.

Исследования Гейма и Новоселова можно считать прорывом в нанотехнологиях - новой и невероятно многообещающей науке, пишет La Stampa . Известно, что алмазы, как и графит, представляют собой кристаллы углерода. Разница в том, что в алмазе атомы углерода формируют трехмерный кристалл, в то время как графит состоит из многочисленных слоев двухмерного кристалла.

"На атомном уровне свойства материалов могут радикально меняться", - пояснил изданию Марко Полини, эксперт по нанотехнологиям Laboratorio NEST Национального научного центра. И именно в бесконечно маленьком мире графит взял реванш. Графен - материал, состоящий из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решетку, - обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным для использования в самых различных областях. Прежде всего, чипы на основе графена могут открыть дорогу к миниатюризации электронных компонентов, и в ближайшие годы графен может стать основой для компьютерных экранов - тонких и невероятно легких, как лист бумаги. Далее: ожидается создание сенсоров, чувствительных к появлению самого минимального количества загрязняющих веществ. Кроме того, будет достаточно добавить один промилле графена, чтобы получить более прочный и устойчивый к высоким температурам пластик. Иными словами, вполне справедливо сказать: "Графен - for ever", пишет итальянская журналистка.

Тоньше волоса, легче шелка, но при этом чрезвычайно прочный: Андре Гейм и Константин Новоселов, выходцы из России, создали поистине удивительный материал под названием графен - и получили за это Нобелевскую премию по физике, пишет SPIEGEL ONLINE . Долгое время считалось, что материал из единичного слоя атомов углерода получить невозможно, но в 2004 году в лаборатории университета Манчестера им удалось получить графен - причем очень простым способом: с помощью обычного скотча и куска графита путем многократного приклеивания.

Открытый материал обладает действительно удивительными свойствами, продолжает издание: квадратный метр решетки графена весит менее миллиграмма, при этом на гамаке из него могла бы с комфортом разместиться кошка.

"Интерес к графену прямо-таки зашкаливает, - признает Корнелиус Нильш из университета Гамбурга. - У нас в Германии существует более 100 рабочих групп, занимающихся исследованием этого материала".

Сам Новоселов, по его словам, был "шокирован" известием о присуждении ему и его коллеге Нобелевской премии. Гейм также не рассчитывал на столь почетную награду, поделился он в беседе с изданием.

Графен и российская реальность

"Я пытался в какой-то момент поехать, но мне визу не дали по почте. Во все другие страны дают по почте, а в России не дают. Поскольку у меня было российское гражданство, меня хотят видеть в посольстве в Лондоне", - сказал выходец из России, профессор британского Университета Манчестера в интервью "Первому каналу" . По словам Гейма, несмотря на такие проблемы, он все еще хочет навестить институтских друзей.

В настоящее время Андрей Гейм является гражданином Нидерландов. Ранее Гейм и его коллега Константин Новоселов, который разделил Нобелевскую премию с профессором, были сотрудниками физических институтов в подмосковной Черноголовке. Как стало известно, Новоселов, у которого двойное гражданство - России и Великобритании - в конце октября прилетит в Москву на конференцию по нанотехнологиям.

По словам Новоселова, он до сих пор не верит, что это о нем пишут все английские газеты. Как сообщает "Первый канал", своих учеников профессор Новоселов сильно разочаровал. Они считали, что шеф хоть пару дней будет отмечать свою премию, а он первым делом после сообщения о премии погнал их в лабораторию работать.

Лауреаты наливали поздравлявшим вино и просили рассказывать анекдоты

В Университете Манчестера не стали устраивать пышных торжеств в связи с премией. Председатель Британского королевского научного общества поздравил Гейма и Новоселова по телефону. Тем, кто пришел лично пожать лауреатам руку, они наливали красное вино и просили рассказать свежий анекдот.

The Wall Street Journal
Ultrathin Carbon Earns Nobel

Кандидат химических наук Татьяна Зимина.

Нобелевскую премию по физике 2010 года присудили за исследования графена - двумерного материала, проявляющего необычные и одновременно весьма полезные свойства. Его открытие сулит не только новые технологии, но и развитие фундаментальной физики, результатом чего могут стать новые знания о строении материи. Лауреатами Нобелевской премии по физике нынешнего года стали Андре Гейм и Константин Новосёлов - профессора Манчестерского университета (Великобритания), выпускники Московского физико-технического института.

Атомы углерода в графене образуют двумерный кристалл с ячейками гексагональной формы.

Нобелевский лауреат по физике 2010 года Андре Гейм (род. в 1958 году) - профессор Манчестерского университета (Великобритания). Окончил Московский физико-технический институт, кандидатскую диссертацию защитил в Институте физики твёрдого тела (г. Черноголо

Нобелевский лауреат по физике 2010 года Константин Новосёлов (род. в 1974 году) - профессор Манчестерского университета (Великобритания) и выпускник Московского физико-технического института. Работал в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо

Графен - одна из аллотропных форм углерода. Впервые был получен поэтапным отшелушиванием тонких слоёв графита. Графен, сворачиваясь, образует нанотрубку или фуллерен.

Одно из возможных применений графена - создание на его основе новой технологии расшифровки химической структуры (секвенирования) ДНК. Учёные из Института наноисследований Кавли (Kavli Institute of nanoscience, Нидерланды) под руководством профессора Декке

Графен, материал толщиной всего в один атом, построен из «сетки» атомов углерода, уложенных, подобно пчелиным сотам, в ячейки гексагональной (шести-угольной) формы. Это ещё одна аллотропная форма углерода наряду с графитом, алмазом, нанотрубками и фуллереном. Материал обладает отличной электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой прочностью и практически полностью прозрачен.

Идея получения графена «лежала» в кристаллической решётке графита, которая представляет собой слоистую структуру, образованную слабо связанными слоями атомов углерода. То есть графит, по сути, можно представить как совокупность слоёв графена (двумерных кристаллов), соединённых между собой.

Графит - материал слоистый. Именно это свойство нобелевские лауреаты и использовали для получения графена, несмотря на то что теория предсказывала (и предыдущие эксперименты подтверждали), что двумерный углеродный материал при комнатной температуре существовать не может - он будет переходить в другие аллотропные формы углерода, например сворачиваться в нанотрубки или в сферические фуллерены.

Международная команда учёных под руководством Андре Гейма, в которую входили исследователи из Манчестерского университета (Великобритания) и Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (Россия, г. Черноголовка), получила графен простым отшелушиванием слоёв графита. Для этого на кристалл графита наклеивали обычный скотч, а потом снимали: на ленте оставались тончайшие плёнки, среди которых были и однослойные. (Как тут не вспомнить: «Всё гениальное - просто»!) Позже с помощью этой техники были получены и другие двумерные материалы, в том числе высокотемпературный сверхпроводник Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Сейчас такой способ называется «микромеханическим расслоением», он позволяет получать наиболее качественные образцы графена размером до 100 микрон.

Другой замечательной идеей будущих нобелевских лауреатов было нанесение графена на подложку из окиси кремния (SiO 2). Благодаря этой процедуре графен стало возможным наблюдать под микроскопом (от оптического до атомно-силового) и исследовать.

Первые же эксперименты с новым материалом показали, что в руках учёных не просто ещё одна форма углерода, а новый класс материалов со свойствами, которые не всегда можно описать с позиций классической теории физики твёрдого тела.

Полученный двумерный материал, будучи полупроводником, обладает проводимостью, как у одного из лучших металлических проводников - меди. Его электроны имеют весьма высокую подвижность, что связано с особенностями его кристаллического строения. Очевидно, что это качество графена вкупе с его нанометровой толщиной делает его кандидатом на материал, который мог бы заменить в электронике, в том числе в будущих быстродействующих компьютерах, не удовлетворяющий нынешним запросам кремний. Исследователи полагают, что новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов не более 10 нм (на графене уже получен полевой транзистор) не за горами.

Сейчас физики работают над дальнейшим увеличением подвижности электронов в графене. Расчёты показывают, что ограничение подвижности носителей заряда в нём (а значит, проводимости) связано с наличием в SiO 2 -подложке заряженных примесей. Если научиться получать «свободновисящие» плёнки графена, то подвижность электронов можно увеличить на два порядка - до 2×10 6 см 2 /В. с. Такие эксперименты уже ведутся, и довольно успешно. Правда, идеальная двумерная плёнка в свободном состоянии нестабильна, но если она будет деформирована в пространстве (то есть будет не идеально плоской, а, например, волнистой), то стабильность ей обеспечена. Из такой плёнки можно сделать, к примеру, наноэлектромеханическую систему - высокочувствительный газовый сенсор, способный реагировать даже на одну-единственную молекулу, оказавшуюся на его поверхности.

Другие возможные приложения графена: в электродах суперконденсаторов, в солнечных батареях, для создания различных композиционных материалов, в том числе сверхлёгких и высокопрочных (для авиации, космических аппаратов и т.д.), с заданной проводимостью. Последние могут чрезвычайно сильно различаться. Например, синтезирован материал графан, который в отличие от графена - изолятор (см. «Наука и жизнь» № ). Получили его, присоединив к каждому атому углерода исходного материала по атому водорода. Важно, что все свойства исходного материала - графена - можно восстановить простым нагревом (отжигом) графана. В то же время графен, добавленный в пластик (изолятор), превращает его в проводник.

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.

Но любые приложения материала требуют его промышленного производства, для которого метод микромеханического расслоения, используемый в лабораторных исследованиях, не годится. Поэтому сейчас в мире разрабатывается огромное число других способов его получения. Уже предложены химические методы получения графена из микрокристаллов графита. Один из них, к примеру, даёт на выходе графен, встроенный в полимерную матрицу. Описаны также осаждение из газовой фазы, выращивание при высоком давлении и температуре, на подложках карбида кремния. В последнем случае, который наиболее приспособлен к промышленному производству, плёнка со свойствами графена формируется при термическом разложении поверхностного слоя подложки.

Фантастически велика ценность нового материала для развития физических исследований. Как указывают в своей статье, опубликованной в 2008 году в журнале «Успехи физических наук», Сергей Морозов (Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН), Андре Гейм и Константин Новосёлов, «фактически графен открывает новую научную парадигму - ”релятивистскую” физику твёрдого тела, в которой квантовые релятивистские явления (часть которых не реализуема даже в физике высоких энергий) теперь могут быть исследованы в обычных лабораторных условиях… Впервые в твёрдотельном эксперименте можно исследовать все нюансы и многообразие квантовой электродинамики». То есть речь идёт о том, что многие явления, для изучения которых требовалось строительство огромных ускорителей элементарных частиц, теперь можно исследовать, вооружившись гораздо более простым инструментом - тончайшим в мире материалом.

Комментарий специалиста

Мы думали о полевом транзисторе…

Редакция попросила прокомментировать результаты работы нобелевских лауреатов Андре Гейма и Константина Новосёлова их коллегу и соавтора. На вопросы корреспондента «Науки и жизни» Татьяны Зиминой отвечает заведующий лабораторией Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН (г. Черноголовка) Сергей Морозов.

Как вообще родилась идея получить двумерный углеродный материал? В связи с чем? Ожидали какие-либо необычные свойства у этой формы углерода?

Первоначально у нас не было цели получить двумерный материал из полуметалла, мы пытались сделать полевой транзистор. Металлы, даже толщиной в один атом, для этого не годятся - в них слишком много свободных электронов. Сначала мы получали счётное число атомных плоскостей с кристалла графита, затем стали делать всё более и более тонкие пластинки, пока не получили одноатомный слой, то есть графен.

Графен давно, с середины ХХ века, рассматривали теоретики. Они же и ввели само название двумерного углеродного материала. Именно графен стал у теоретиков (задолго до его экспериментального получения) отправной точкой для расчёта свойств других форм углерода - графита, нанотрубок, фуллеренов. Он же и наиболее хорошо теоретически описан. Конечно, какие-то эффекты, обнаруженные теперь экспериментально, теоретики просто не рассматривали. Электроны в графене ведут себя подобно релятивистским частицам. Но никому в голову раньше не приходила идея изучать, как будет выглядеть эффект Холла в случае релятивистских частиц. Мы обнаружили новый тип квантового эффекта Холла, который явился одним из первых ярких подтверждений уникальности электронной подсистемы в графене. То же можно сказать о присущем графену парадоксе Клейна, известному из физики высоких энергий. В традиционных полупроводниках или металлах электроны могут туннелировать сквозь потенциальные барьеры, но с вероятностью существенно меньше единицы. В графене электроны (подобно релятивистским частицам) проникают даже сквозь бесконечно высокие потенциальные барьеры безотражательно.

Почему считалось, что двумерный углеродный материал (графен) будет неустойчив при комнатной температуре? И как тогда его удалось получить?

Ранние работы теоретиков, в которых показана неустойчивость двумерных материалов, относились к бесконечной идеальной двумерной системе. Более поздние работы показали, что в двумерной системе всё-таки может существовать дальний порядок (который присущ кристаллическим телам. - Прим. ред.) при конечной температуре (комнатная температура для кристалла - достаточно низкая температура). Реальный же графен в подвешенном состоянии всё же, видимо, не идеально плоский, он слегка волнистый - высота поднятий в нём порядка нанометра. В электронный микроскоп эти «волны» не видны, но есть другие их подтверждения.

Графен - это полупроводник, если я правильно понимаю. Но кое-где я нахожу определение - полуметалл. К какому же классу материалов он относится?

Полупроводники имеют запрещённую зону определённой ширины. У графена она - нулевая. Так что его можно назвать полупроводником с нулевой запрещённой зоной или же полуметаллом с нулевым перекрытием зон. То есть он занимает промежуточное положение между полупроводниками и полуметаллами.

Кое-где в популярной литературе упоминается о других двумерных материалах. Пробовала ли ваша группа получить какие-либо из них?

Буквально через год после получения графена мы получили двумерные материалы из других слоистых кристаллов. Это, например, нитрид бора, некоторые дихалькогениды, высокотемпературный сверхпроводник Bi-Sr-Ca-Cu-O. Они не повторяли свойств графена - одни из них вообще были диэлектриками, другие имели очень низкую проводимость. Многие исследовательские группы в мире занимаются изучением двумерных материалов. Сейчас мы используем нитрид бора в качестве подложки для графеновых структур. Оказалось, это радикально улучшает свойства графена. Также, если говорить о применении графена для создания композитных материалов, нитрид бора здесь один из главных его конкурентов.

- Какие существующие методы получения графена наиболее перспективны?

На мой взгляд, сейчас существуют два таких основных метода. Первый - это рост на поверхности плёнок некоторых редкоземельных металлов, а также меди и никеля. Затем графен надо перенести на другие подложки, и это уже научились делать. Данная технология переходит в стадию коммерческих разработок.

Другой метод - выращивание на карбиде кремния. Но хорошо бы научиться растить графен на кремнии, на котором построена вся современная электроника. Тогда бы разработка графеновых устройств пошла бы семимильными шагами, поскольку графеновая электроника естественным путём расширила бы функциональные возможности традиционной микроэлектроники.

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 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 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 SiO 2 .

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, MoS 2 , NbSe 2 , Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 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 из Университета Калифорнии в Беркли, Адам Райес из Университета в Балтиморе и из Австралийского национального университета. Вторым основным претендентом на премию считалась научная группа космического аппарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, ), 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 (Нью-Джерси). Последние в этом году стали лауреатами молодой, но довольно престижной премии Шоу по астрономии.Петр Капица получил награду «за основополагающие изобретения и открытия в области физики низких температур». В 2000 году лауреатом стал «за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной и оптической электронике». И, наконец, последняя на данный момент российская Нобелевская премия досталась в 2003 году и «за пионерский вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести».

В Стокгольме объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по физике за 2010 год. Ими стали профессор Андрей Гейм и профессор Константин Новосёлов. Оба лауреата, работающие в британском университете Манчестера, - выходцы из России. 52-летний Андрей Гейм является подданным Нидерландов, а 36-летний Константин Новосёлов имеет российское и британское гражданство.

Самой престижной в мире научной премии, размер которой составляет в этом году около 1,5 миллионов долларов, учёные удостоены за открытие графена - сверхтонкого и крайне прочного материала, представляющего собой углеродную пленку толщиной в один атом.

О том, какие трудности возникли при открытии графена и каково практическое применение этого материала, рассказывает в эфире Радио Свобода научный редактор журнала "Вокруг света" Александр Сергеев:

Сам факт получения графена учеными замечателен. Теоретически графен был предсказан еще за полвека до его синтеза. В школе все проходили структуру графита - это обычный карандаш. Атом углерода образует тонкие слои, которые многократно наслаиваются друг на друга. Каждый слой состоит из шестиугольных ячеек, которые, как пчелиные соты, состыковываются друг с другом.

Проблема была в том, чтобы получить один слой, отделенный от выше и ниже лежащих. Для одиночного слоя этого двумерного кристалла, называемого так потому, что третьего измерения у него нет, предсказывалась куча разных интересных физических свойств. Ставилось много экспериментов. Но добиться отделения одного слоя от всех остальных с устойчивым результатом не удавалось.

Андрей Гейм и Константин Новоселов придумали способ, которым они смогли выделить этот слой и убедиться впоследствии, что он действительно один. Затем ученые смогли измерить его физические свойства и проверить, что теоретические предсказания более-менее верны. Этот эксперимент очень прост: ученые взяли обычный карандаш, кусочек графита. Липкой лентой с него сняли слой графита, а затем начали его отшелушивать. Когда оставались 1-2 слоя, графит переносили на кремниевую подложку.

Почему не удавались все прежние эксперименты? Потому что (и это предсказывалось теоретически) графеновая пленка, двумерный углеродный кристалл, неустойчива к скручиванию. Чуть только она окажется в свободном состоянии, она немедленно начнет комкаться. Было даже такое мнение, что графен выделить невозможно. Работа ученых была сделана в 2004 году, а в 2009 уже был получен кусочек графена. То есть, лист графена размером почти в сантиметр. А сейчас говорится уже о десятках сантиметров.

- А зачем вообще нужен этот графен?

Вся электроника сейчас движется в направлении уменьшения размеров элементов - транзисторов, электродов и т. д. Чем меньше элементы внутри процессора, тем больше элементов можно в него поместить и тем мощнее можно собрать процессор. Следовательно, в нем будут выполняться более сложные логические операции. Что может быть тоньше, чем один атомарный слой? Графен обладает свойством тонкости.

Кроме того, он проводит электричество. И - практически прозрачен. В то же время, он достаточно прочен: это один из самых прочных материалов в расчете на один атомарный слой. Он практически не пропускает через себя никакие другие вещества. Даже газообразный гелий не может просочиться сквозь графен, поэтому это вполне надежное покрытие. Его можно использовать, например, в сенсорных экранах, потому что прозрачный электрод не будет заслонять изображение. Его можно попытаться использовать в электронике. Сейчас пытаются разрабатывать транзисторы на основе графенов. Правда, здесь есть свои трудности. У графена есть аномальные свойства, которые несколько затрудняют его применение в транзисторах. Но после того, как научились получать атомарные слои, вероятно, это уже преодолимые преграды. Это принципиально новый материал. Ничего похожего до сих пор не было. Самый тонкий монослой проводника, который можно использовать в технике, в электронике.

У новых нобелевских лауреатов довольно сложная биография. Один из них - подданный Нидерландов, у другого - два паспорта: британский и российский. Работали они, насколько известно, в научном центре в Манчестере, Англия. Наука становится интернациональной, или это грустная судьба российских ученых - совершать великие открытия, только если они выезжают за рубеж?

Для того, чтобы заниматься серьезными научными работами, нужна не только материально-техническая база, но и просто спокойствие духа. Ученый не должен быть заморочен какими-то вопросами. Андрей Гейм 10 лет назад получил Шнобелевскую премию за эксперименты по магнитному левитированию лягушек. Шнобелевская премия - это шуточная антипремия за бессмысленные работы. Ученому необходима определенная вольность в своей деятельности. Тогда рождаются идеи. Сегодня лягушек левитировал, а завтра получаю графены.

Если у человека есть такие условия, то он работает эффективнее. Ведь оба нынешних нобелевских лауреата по физике учились в МФТИ (Московский физико-технический институт - РС). И очень скоро уехали в Голландию, в Великобританию, потому что там атмосфера работы более благоприятна для поиска научных средств, необходимых для того, чтобы вести исследования. Углеродные пленки они отрывали скотчем, но измерять-то их надо было атомно-силовым микроскопом. Значит, этот микроскоп должен был быть. В России они, конечно, есть, но к ним гораздо сложнее получить доступ.

Если я скажу, что в России хорошее базовое образование, которое позволяет выращивать лауреатов Нобелевских премий, но в то же время отсутствует серьезная научная высокотехнологическая база для экспериментов, это будет верно?

Как и в любом обобщении, здесь есть некоторая натяжка. С образованием у нас уже не так хорошо и гладко, потому что во многих местах научные школы разрушаются. Сказался большой перерыв в работе 90-е годы. В России есть единичные школы, где все держится еще очень неплохо, но есть проблемы с оборудованием и ведением серьезных дорогостоящих исследований. Куда-то это оборудование попадает: время от времени делаются довольно серьезные закупки, например, в Курчатовский институт. Но насколько эффективно оно там применяется - большой вопрос. Поэтому в одних местах есть сильная научная школа, а в других - средства на технику. Обменяться между собой им достаточно сложно из соображений престижна и бюрократии. В России тоже возможны исследования высокого класса, но их гораздо труднее вести - здесь более тяжелая среда для работы.

Научные исследования многогранны. Но есть ли отдельные направления, которые Нобелевским комитетом определяются как прорывные? За которые легче получить Нобелевскую премию? Или таких направлений нет?

Я посмотрел список лауреатов Нобелевских премий по физике за последние 20 лет. Однозначной тенденции нет. Пожалуй, достаточно много премий в области физики элементарных частиц, фундаментальных физических взаимодействий. Это и понятно - там делают достаточно интересные работы. Но тут надо учитывать важный момент. Часто говорят, что, чтобы получить Нобелевскую премию, недостаточно сделать прорывную работу. Нужно еще дожить до того времени, когда ее оценят. Поэтому Нобелевская премия, как правило, присуждается людям в очень почтенном возрасте. С этой точки зрения Нобелевская премия по физике этого года является исключением из правил. Новоселову сейчас 36 лет. За последние 20 лет среди премий по физике такого случая не было и, по-моему, не было вообще! За последние 8 лет никто из ученых младше 50 лет не получал Нобелевскую премию, а многие получали ее в возрасте за 70, а то и за 80 лет за работы, сделанные десятки лет назад.

Нынешняя Нобелевская премия была вручена в нарушение правил. Может быть, Нобелевский комитет почувствовал, что премия становится геронтологической и надо снижать возраст ее получения. В последний раз в "молодом" возрасте премия по физике вручалась в 2001 году. Лауреатам было от 40 до 50 лет.

Сейчас, видимо, сделана установка на актуальные экспериментальные работы. Так, хотя в Нобелевскую премию не входит астрономия, за последние 10 лет было две очень важных премии по астрофизике. Были премии по физике высоких энергий и физике элементарных частиц, по физике твердого тела, по физике конденсированного состояния - то есть, твердого, жидкого и прочих состояний, в которых атомы находятся вплотную друг к другу. Почти все эти работы, так или иначе, завязаны на квантовую физику.

- А почему именно квантовая теория? Это связано с какими-то личными пристрастиями членов Нобелевского комитета? Или это действительно ближайшее научное будущее?

Причина очень простая. На самом деле, вся физика, кроме теории гравитации, сегодня квантовая. Практически все новое, что делается в области физики, за исключением отдельных побочных направлений, доработок и прорывов, которые были в прошлом, основано на квантовой физике. Только гравитация пока еще не поддалась этому "квантованию". А все остальное, что касается фундамента физики - это квантовая теория и квантовая теория материй.