Виктор Принц: Ландау ошибался

Два года назад в интервью корреспонденту ВВС я предсказал присуждение Нобелевской премии Андрею Гейму и Константину Новосёлову, поскольку хорошо знаю эту область, – рассказывает Виктор Принц.

Эксперименты, проделанные нами в 90-х годах, когда от толщины отсоединённых плёнок в тысячу атомов мы дошли всего до двух, показали, что характеристики двумерных материалов будут кардинально отличаться от своих более объёмных «собратьев». Оставался последний шаг. Но в постперестроечной России фундаментальная наука была в загоне: учёные пытались зарабатывать деньги, решая прикладные задачи. Кроме того, из классических работ Льва Ландау следовало, что попытки получить устойчивый материал толщиной в один атом обречены. И всё-таки он отделяется и устойчив!

Справка STRF.ru:
Принц Виктор Яковлевич, заведующий лабораторией физики и технологии трёхмерных наноструктур Института физики полупроводников СО РАН, доктор физико-математических наук, профессор.
Впервые в мире он предложил и разработал технологию формирования трёхмерных наноструктур. Под его руководством созданы новые классы твёрдотельных наноструктур из полупроводников, диэлектриков, металлов, макеты наноприборов и новые наноматериалы. Лаборатория имеет пять изобретений, связанных с графеном, на два из них – графеновый полевой эмиттер и нанодвигатель – получены патенты

Многие учёные сначала говорили: «Подумаешь, отщепили какую-то шелуху!» Но, когда изобрели электричество, сначала тоже никто не понимал, как его применять. На самом же деле Гейм и Новосёлов открыли новый материал с удивительными свойствами. Вопреки традициям присуждения Нобелевской премии за прочно вошедшие в практику открытия, учёные заслужили награду поистине фантастическими перспективами. Эффекты, продемонстрированные нобелевскими лауреатами, изучали и наблюдали учёные всего мира на разных материалах, но все они проявлялись при температуре жидкого гелия (около минус 300°С). А Гейм и Новосёлов показали их на графене с большей точностью при обычной комнатной температуре, сделав новый материал доступным для целого спектра практических применений.

Описание каждого из свойств графена можно начинать со слова «самый». Это самый тонкий кристалл, самый прочный (в 200 раз прочнее стали), самый гибкий – растягивается на 20–30 процентов, самый прозрачный (поглощает всего 2 процента излучения) и обладающий самой большой проводимостью и теплопроводностью. Вероятнее всего, он будет и самым дешёвым.

Если сделать из графена тент над футбольным стадионом, то конструкция будет весить меньше 1 грамма.

При помощи электронного луча в тончайшей графеновой плёнке очень просто сделать отверстие заданного размера, «выбив» нужное количество атомов из решётки. Это грандиозный шаг к упрощению механизма расшифровки ДНК: пропуская молекулу через узкое отверстие в графеновой мембране, информацию о проходящих сквозь отверстие ионах можно будет легко считывать, причём с очень высокой точностью. До недавнего времени такую технологию считывания ДНК пытались использовать на полупроводниковых и других мембранах, но из-за их толщины в десятки нанометров точность была невысока.

Скорость электронов в графене всего в 300 раз меньше скорости света и в тысячу раз больше, чем в кремнии (современном материале всей микроэлектроники), а их масса стремится к нулю. До сегодняшнего дня даже двойное увеличение рабочей частоты транзисторов, которая прямо пропорциональна подвижности электронов, требовало от разработчиков долгих лет упорной работы. Гигантская подвижность носителей заряда в графене делает его кандидатом на роль материала для сверхбыстродействующей электроники и компьютеров. В США принята военная программа, по которой к 2013 году планируется производить транзисторы на графене, работающие на частоте 500 Ггц, что существенно больше рабочей частоты кремниевых транзисторов (40 Ггц). Компания Samsung начала производство графеновых пластин на кремниевой подложке, массовый выпуск которых планируют организовать уже к 2011 году.

Графеновая плёнка не пропускает ни один газ, кроме атомарного водорода. Её легко свернуть и наполнить газом, как воздушный шар. Использовать пузырьки или многослойные графеновые плёнки с ячейками можно в качестве безопасного хранилища водородного топлива на транспорте (одна из важнейших проблем при переходе на водородную энергетику). При обработке атомарным водородом графен превращается в стабильный полупроводник – графан, а при нагреве до +300°С водород испаряется и материал снова становится графеном. Взаимодействие графена с атомами газа можно использовать как основу создания высокочувствительных сенсоров-детекторов, которые смогут «унюхать» искомое вещество на огромном расстоянии.

После растяжения материал принимает исходное состояние – ни одно твёрдое тело так не реагирует на деформацию.

Изготовленные из графена пластичные ноутбуки, мобильные телефоны и другую технику можно будет скомкать и даже швырнуть об стену безо всякого риска их сломать.

Впрочем, гибкая электроника станет лишь одним, далеко не самым ярким из применений удивительных свойств графена.

В каком-то смысле получить одноатомный слой углерода было делом техники, которая в те годы в России была недоступна. Графен, отделённый нобелевскими лауреатами при помощи обычного скотча, был в сотни раз меньше сечения человеческого волоса, что не помешало исследователям присоединить к полученной невидимой плёнке шесть контактов и подробно изучить свойства этого уникального материала. Интенсивности проделанной ими работы и срокам можно только завидовать. В таком же темпе стало развиваться это направление во всех мировых лабораториях. Ещё пять лет назад были получены кусочки графена размером 1 квадратный микрон.

Площадь получаемых графеновых плёнок за пять лет выросла в триллион раз и достигла квадратных метров.

Сотрудничество учёных из Японии и Кореи позволило разработать технологию непрерывного выращивания графена больших площадей (более 1 квадратного метра). Его выращивают на медной фольге и отсоединяют на специальных установках с крутящимися барабанами. Сейчас учёные всего мира трудятся над улучшением качества этого материала, делая его всё более однородным. В России есть всего несколько групп, работающих с углеродными монослоями. Больших успехов добились учёные из Института физики твёрдого тела РАН в Черноголовке, с которыми продолжают сотрудничать их бывшие коллеги – нынешние лауреаты Нобелевской премии. Хорошие результаты отмечены в Московском госуниверситете, Физико-техническом институте им. Иоффе, а в прошлом году качественный графен получили в Институте физики полупроводников СО РАН.

Мы несколько раз выступали с Константином Новосёловым на одних и тех же секциях на разных международных конференциях. И в первый же раз меня поразило соотношение его возраста и уровня достижений в науке. Вообще, Нобелевская премия за работы, сделанные в течение всего 5–6 лет, – это беспрецедентный результат. Но не имеет прецедентов и тот бурный интерес, который вызвали статьи будущих лауреатов у всего мирового научного сообщества. После их первой публикации в 2004 году по этой тематике ежегодно начало выходить около 1,5 тысячи научных статей, а общее количество ссылок на все их работы превысило 16 тысяч. Такой шквал исследований вполне объясним, учитывая грандиозные научные и коммерческие перспективы изучения «мира веществ малых размеров».

Наука интернациональна, поэтому мощное фундаментальное открытие Новосёлова и Гейма принадлежит всему миру, но миллиарды долларов прибыли получит та страна, где эти технологии заработают первыми.

На правах «успешного предсказателя» позволю себе назвать тему работы следующих кандидатов на Нобелевскую премию из области физики твёрдого тела. Думаю, ими станут те, кто сделает полоску-проволочку толщиной в один атом, в которой квантовые свойства полученного материала будут проявляться ещё сильнее, а следовательно, она позволит говорить о ещё большем количестве чудесных применений. На сегодняшний день минимальная ширина таких полосок составляет 20 атомов.