Из газеты: Окна. Еженедельное приложение к газете "ВЕСТИ". 21 октября 2010 г. Израиль. Тель-Авив.
Удивительный материал графен
Михаил Вартбург
4-е измерение. Рубрику ведет Рафаил Нудельман
Нобелевская премия по физике за 2010 год присуждена совместно Андрею Гейму и Константину Новоселову за основополагающие исследования двумерного материала графена.
Андрей Гейм
Константин Новосёлов
Последняя важная новость, касающаяся графена, появилась в журнале «Nature Nаnоtechnologу» в июне 2010 года. Южнокорейские ученые под руководством Джонг Хиюн Ана впервые сумели создать листы графена размером 76 см по диагонали. Чтобы оценить это достижение, нужно вспомнить, что первые, полученные шесть лет назад, образцы этого вещества имели совсем микроскопические размеры. Лишь спустя пять лет ученым из Техаса удалось получить сантиметровые графеновые листочки. Оказалось, что для этого нужно пропускать высоко нагретую смесь метана с водородом над медной поверхностью. Горячий газ вступает в реакцию с медью и оставляет на ней тончайший, одно-атомный слой углерода (это и есть графен) размером несколько сантиметров. На этот слой кладут полимерную наклейку, а медь химически удаляют, и остается сантиметровых размеров листик графена на подложке. А вот теперь АН сделал еще один шаг по пути упрощения этого процесса, перейдя к химическому напылению углерода, и в результате, как я уже сказал, впервые получил листы графена такого размера, что они пригодны для изготовления прозрачных сенсорных (отвечающих на прикосновение) экранов.
Впрочем, во всем, что касается графена, назвать какое-то сообщение последней новостью было бы весьма опрометчиво. С момента открытия графена группой Гейма — Новоселова в 2004 году исследования этого материала расширяются так стремительно, что новые сообщения появляются чуть ли не каждую неделю (в 2009 году число соответствующих публикаций составило уже полторы тысячи). Однако пока что ни одна из этих новостей не имеет того принципиального значения, которое имели исследования Гейма — Новоселова, так что не случайно именно эта пара недавних выходцев из России, ныне работающих в Манчестерском университете, получила Нобелевскую премию по физике за 2010 год.
Решение Нобелевского комитета сформулировано точно — и осторожно: «за основополагающие исследования двумерного вещества графен». Именно за основополагающие исследования (groundbreaking ехреriments), но не за открытие, потому что сами «основоположники» признают, что графен, вообще говоря, никто не открывал. Любой кусочек слоистого графита, того, что в наших карандашах, состоит из миллионов плоских, толщиной в один атом, слоев углерода, лежащих друг на друге и связанных довольно слабыми электрическими силами. Каждый такой плоский слой атомов углерода толщиной один атом — это и есть пресловутый графен. Поэтому, когда мы пишем карандашом и с его острия сходят почти невидимые чешуйки графита (этому легкому отслаиванию способствуют, кстати, не только слабые силы между слоями, но и внедрившиеся между ними атомы воды и воздуха), мы сами непрерывно производим на свет графеновые листочки, только не по одному, а «пакетиками». Другое дело, что в каждом таком «пакетике» находятся миллионы листков. Это не преувеличение: толщина отдельного графенового листа составляет примерно 0,15 нанометра, и поэтому нужно уложить друг на друга 7 миллионов (!) таких листочков, чтобы получить чешуйку графита толщиной 1 мм.
Представление о том, что слоистый графит состоит из таких двумерных (толщиной в один атом) слоев, существовало уже чуть не с середины XIX века. Позднее рентгенографически было обнаружено, что эти атомы образуют гексагональную (шестигранную) плоскую решетку, в которой они находятся на расстоянии 0,142 нанометра друг от друга (раза в три меньше, чем расстояние между каждыми двумя слоями). А в середине XX века с помощью электронного микроскопа были получены первые изображения такой решетки, подтвердившие эти представления. Тогда же начались — долгое время неудачные — попытки изолировать отдельные графеновые слои. Как я уже (сказал, это впервые удалось только Гейму и Новоселову, которые применили для получения таких слоев метод последовательного отделения от чешуйки графита всех ее слоев.
Этот необычный прием подсказало случайное знакомство с методикой подготовки графитовых образцов для электронной микроскопии (там их поверхность зачищают обыкновенным скотчем). И вот, соскоблив скотчем множество слоев графита, Гейм и Новоселов обнаружипи при рассмотрении в микроскоп, чго в получившейся груде соскобов имеются также отдельные изолированные графеновые слои. (Кстати, обнаружить их тоже помогла счастливая случайность — использование в качестве подложки при рассмотрении соскобов некого специального материала. Положи они их на другой материал, могли бы и не заметить.)Это и был тот прорыв, за которым последовала описанная выше эпопея поисков все более совершенных методов получения графена. Как писал один из комментаторов, «после прорыва Гейма — Новоселова физики оказались во власти графеновой истерии». Уточним — они были в ее власти уже за несколько лет до того, еще когда начались упомянутые выше попытки получить и изучить отдельные графеновые слои. Эти настойчивые попытки были продиктованы одним важным обстоятельством. Теория твердых тел, объясняющая свойства вещества на основе квантовых законов поведения составляющих его микрочастиц, давно уже предсказала, что физические свойства изолированных двумерных слоев углеродных или иных атомов (сейчас выделены уже в свободном виде двумерные слои нитрида бора, некоторых сложных окислов, слюды и т. д.) должны быть весьма и весьма своеобразны, а возможно, и крайне полезны на практике. (Эти слои называются двумерными, то есть не имеющими толщины, потому что понятие «толщина» к одноатомному слою, не имеющему «соседей» ни сверху, ни снизу, т. е. не имеющему третьего измерения, явно неприменимо.)
Причина этого своеобразия, как показали теоретические расчеты Уолласа (1947), Семенова (1984) и других, состоит в том, что атомы в двумерной (плоской) решетке, в отличие от ато мов в решетке трехмерной (объемной), образуют такую специфическую и уникальную систему энергетических уровней, что электроны в них ведут себя, как лишенные массы заряды — нечто вроде заряженных фотонов. Фотон, напомню, — это электрически нейтральная частица (квант) света, которая не имеет массы покоя, потому что движется с предельной скоростью (если бы у него была хоть какая-то масса покоя, то при такой скорости она стала бы бесконечной). В отличие от настоящих фотонов электроны в графене, конечно, имеют и заряд, и массу покоя, но движутся так, будто ее нет (хотя и при самых обычных скоростях). Движение таких безмассовых микрочастиц (какова бы ни была их скорость) уже не описывается законами обычной квантовой механики. Такие частицы подчиняются законам т.н. квантовой, или релятивистской, электродинамики, сочетающей в себе квантовую механику с теорией относительности, открытой Эйнштейном. Вот эти законы как раз и предсказывают,что в графене с его безмассовыми электронами должны обнаруживаться весьма удивительные эффекты, которых нет при движении обычных электронов и которые поэтому физики не могли раньше наблюдать.
Теперь, когда после работ Гейма — Новоселова и их последователей в распоряжении экспериментаторов появились изолированные слои графена с их релятивистскими электронами, проверка всех этих предсказаний стала возможной, и это вызвало ту лавину лихорадочных исследований, которую комментатор назвал истерией. И кстати, огромная, быть может основная, заслуга Гейма и Новоселова состояла в том, что они и здесь оказались пионерами: первыми найдя способ получения изолированного графена, они первыми же провели ряд «groundbreaking ехреriments», показавших, что в этом материале действительно наблюдаются эффекты, предсказанные релятивистской теорией безмассовых электронов. Так, в 2005 году они обнаружили в графене т. н. квантовый эффект Холла. Эффектом Холла физики называют процесс, происходящий в любом проводнике, когда по нему в направлении оси Х течет ток, а перпендикулярно к току, вдоль оси У, накладывается сильное магнитное поле. В обычном проводнике такое наложение порождает появление электрического поля вдоль третьей оси 2. Напряжение этого электрического поля Холла, деленное на величину тока, дает т. н. сопротивление Холла, которое в трехмерных (объемных) проводниках плавно меняется при изменении магнитного поля. А вот в двумерных слоях оно меняется скачками, «квантованно», — это и есть квантовый эффект Холла, существование которого в графене показали Гейм и Новоселов. (Кстати, эта их работа имеет не только большое значение для теории твердых тел, но и любопытный выход в практику. Дело в том, что квантовое сопротивление Холла, как показывает теория, выражается через некоторые фундаментальные физические константы, так что измерение его величины позволяет эти константы уточнить. Такая возможность существовала и раньше, в специальных, искусственно созданных условиях, но в графене такие измерения впервые оказалось возможным сделать при обычной температуре и небольших магнитных полях.)
Уникальные особенности графе на проявились и в другом релятивистском эффекте, который те же Гейм и Новоселов впервые наблюдали в 2006 году, а Ким и Юнг из США — более полно — в 2009 году. Речь идет о т. н. парадоксе Клейна. Это явление, согласно теории, должно наблюдаться при подходе свободно движущегося электрона к отталкивающему электрическому полю. Преодоление этого поля равносильно преодолению некого энергетического барьера. Квантовые свойства электрона (сочетание в нем характеристик частицы и волны) дают ему, как показывает теория и подтверждают эксперименты, некоторую вероятность войти в такой барьер (проникнуть внутрь поля) и даже просочиться сквозь него на другую сторону, но эта вероятность быстро спадает при увеличении высоты барьера. Парадокс Клейна состоит в том, что для релятивистского (т. е. безмассового) электрона вероятность прохождения сквозь такой барьер, напротив, увеличивается с ростом высоты барьера, постепенно приближаясь к единице, как будто чем барьер выше, тем все более прозрачным он становится. Причина этого странного явления состоит в том, что поле, отталкивающее электрон, в то же время является притягивающим для электронной античастицы — позитрона (и тем более притягивающим, чем поле сильнее, т. е. чем выше барьер). По законам релятивистской электродинамики волновые свойства частицы и ее античастицы связаны друг с другом, и вот эта связь в конечном счете помогает электрону оказаться по другую сторону барьера (и тем вероятнее, чем поле сильнее). Такое парное взаимодействие частиц и античастиц интересно еще и потому, что аналогичные пары наблюдаются также в некоторых ядерных и астрофизических явлениях, в частности, например, на поверхности черных дыр. До последнего времени прямая демонстрация парадокса Клейна считалась совершенно невозможной. Теперь, в графене, и это удалось успешно сделать, причем в довольно простом лабораторном эксперименте, не понадобилось даже к черной дыре лететь. Восторг теоретиков нетрудно себе представить. Их «истерию» легко понять.
Впрочем, не менее лихорадочное возбуждение графен вызывает и у физиков-экспериментаторов, особенно у «прикладников», нацеленных на практические применения. Их, понятно, взволновала не столько возможная роль графена как релятивистского полигона на лабораторном столе, сколько его парадоксальные электрические, механические, оптические и прочие свойства вроде высокой проводимости в сочетании с высокой прозрачностью, его огромной, в 200 раз больше стали, прочности
(которая объясняется очень сильной связью между атомами углерода в двумерной решетке) в сочетании с необыкновенной способностью изгибаться и так далее. Проводимость графеновых слоев оказалась ограниченной только наличием неизбежных дефектов в его двумерной решетке. Поэтому, прилагая к графеновому листку внешнее электрическое напряжение, можно создать в нем рекордной плотности электрические токи. При этом такой листок, благодаря своей тонкости (напомним — это плоский
слой толщиной в один атом) поглощает всего два с небольшим процента падающего на него света — остальной проходит насквозь. Это сочетание высокой проводимости с почти полной прозрачностью делает графен многообещающим материалом для широкого диапазона электронно-оптических приборов.
В недавнем большом обзоре («Nature Photoniks», №4, 611-622, 2010) группа специалистов подробно рассказала о замечательных перспективах графена в этих областях. Прежде всего, эта прозрачность графена в сочетании с высокой проводимостью, гибкостью и прочностью открывает путь к его широкому применению в качестве сенсорных экранов, которые нужны повсюду, от домашних телевизоров и до лэптопов и «айпедов» фирмы «Аррlе». Фирма «Samsung» обещает через 2-3 года перейти на такие графеновые экраны. Не менее важное применение, пишут авторы обзора, графен может найти в фотоячейках, напрямую превращающих солнечную энергию в электрическую. Обратное превращение — электрической энергии в световую — происходит в светоизлучающих диодах (два электрода с люминесцентным слоем между ними), где под влиянием электрического тока возникает люминесценция, и здесь графен, если верить расчетам, тоже обещает «выдать рекорд» — на этот раз по выходу количества света на единицу объема.
Далее, благодаря наличию у графена некоторого поглощения света, в него можно накачивать световую энергию, но он крайне быстро насыщается и излучает эту энергию обратно в виде короткой световой вспышки. Это открывает путь к его использованию в качестве нового материала для сверхбыстрых лазеров, область применения которых поистине необозрима — от фундаментальных физических исследований до операций на глазах. Кстати, если говорить о такой «прозе жизни», как глаза, то графен может найти еще одно поле применения в т. н. оптических ограничителях, которые защищают глаза (и некоторые приборы) от слишком ярких вспышек света. Такие ограничители делаются из материалов, которые резко уменьшают пропускание света при резком повышении его яркости, а в графене прохождение интенсивной световой вспышки как раз и вызывает резкое уменьшение количества пропускаемого света.
Второй широкой областью, где графен может развернуться, вытесняя нынешние материалы, является вся полупроводниковая электроника, сегодня основанная на кремнии. Сами графеновые листки, как уже говорилось, — это квазиметалл — как, кстати, и графит с его довольно заметной проводимостью, только в отличие от графита графен прозрачен. Но, как вскоре выяснилось, полоски, на которые сегодня уже научились разрезать достаточно большой лист графена, обладают удивительным свойством — они могут быть как проводниками, так и полупроводниками, в зависимости от специфики энергетических уровней в них. А это, учитывая гибкость и прочность, позволяет надеяться, что такие графеновые полосы удастся применить .[ля создания любых электронных схем на полупроводниках- Фирма IВМ уже продемонстрировала недавно первый мощный транзистор на графене.
Добавим к этому, что чисто механические свойства графена (те же гибкость и прочность в сочетании с легкостью) обещают оказаться полезными для создания различных гибридных материалов, сочетающих высокую гибкость и прочность с другими необходимыми (в каждом конкретном случае) свойствами, — и мы поймем, какие огромные, поистине фантастические надежды возлагаются на этот удивительный материал. Недавно в Интернете кто-то даже задал вопрос, нельзя ли будет применить графен для постройки космического лифта между Землей и Луной, мысль о котором когда-то выдвинул писатель-фантаст Артур Кларк. Профессор Майкл Каку, которому был задан этот вопрос, на него не ответил, но зато перечислил некоторые другие, не менее головокружительные возможности использования графена: создание легчайших и прочнейших, а к тому же еще электропроводящих пластиков и тканей, чувствительнейших химических детекторов (даже отдельные молекулы примесей, застрявшие в решетке графена, способны изменить его проводимость, что позволяет их обнаружить), конденсаторов повышенной емкости — и так далее, и так далёе.
И еще одна, совсем уж неожиданная область применения графена — это биология. Не так давно китайские исследователи сообщили, что графеновые пленки обладают бактерицидными свойствами, так что можно будет применять их в качестве непроницаемой для бактерий упаковки продуктов и лекарств. Другая группа экспериментаторов сумела свернуть листок графена в нанотрубку и упаковать в нее живую бактерию, — эти исследователи полагают, что такая защита позволит получать более четкие электронные снимки бактерий, не повреждая их усиленным пучком электронов. Уже предпринимаются попытки использовать графеновые пленки для детектирования и распознавания бактерий. И наконец, энергично обсуждается возможность применения графена в новейшем методе расшифровки структуры ДНК путем протягивания этой молекулы через нанопору.
Конечно, все эти чудесные дары графена в основном пока еще в будущем. Но тут уместно процитировать самого Андрея Гейма. Когда его спросили, не рано ли за графен дали Нобелевскую премию, он ответил: «Нет, не рано. Внимательно посмотрите решение Нобелевского комитета: там сказано — за свойства, а не за применение, которого еще нет. Резерфорду в 1908 году тоже дали премию не за то, что он создал атомный реактор, а за то, что он показал, какой интересной и многообещающей является атомная наука». Что ж, может быть, и графен сыграет в будущем не меньшую роль, чем открытие Резерфорда, как в фундаментальной науке, так и в полезной человечеству практике. Будем надеяться и с нетерпением ждать.
Поделитесь с друзьями