Нобелевский тип углерода

О возможности присуждения Нобелевской премии за графен говорили уже в начале 2007 г. Относительно основных претендентов также не было сомнений, но никто не ждал, что это событие произойдет столь скоро. В этой небольшой заметке мне хотелось бы прояснить несколько ключевых моментов, относящихся к тому, за что же вручена эта премия.

Сейчас идет очень много разговоров о практическом применении графена в различных сферах человеческой жизни — от медицины до электроники и энергетики. Если в 2007 г. слова Андрея Гейма о графеновом процессоре звучали, скорее, как рассказ о мечте («graphenium inside»), то сейчас уже говорят о графеновых нано-транзисторах, а полученные образцы графена становятся все более доступными в плане цены и возможности их производства. Такие компании, как IBM и Samsung, уже не просто проявили интерес к новому материалу, а добились значительных успехов в этой области. Такой медиа-резонанс вокруг практической стороны открытия графена создает впечатление, что премию дали за прикладное исследование, что, естественно, совсем не верно.

Прежде всего сам факт существования стабильного двумерного кристалла рассматривался многими классиками как невозможный, и доказательства этой невозможности даже вошли в некоторые учебники. Стоит ли выход за границы возможного Нобелевской премии? — Я думаю, да. Но основная заслуга Гейма и Новоселова не только в получении графена, но и в открытии его многочисленных необычных свойств: безмассовые дираковские фермионы, высочайшая подвижность заряда и теплопроводность, квантовый эффект Холла при комнатной температуре, огромная плотность и прочность (больше, чем у стали). Но самым важным моментом, показывающим, что графен — нечто большее, чем просто уникальный материал для множества применений в технике и электронике, — это возможность прямого наблюдения в простой лаборатории различных эффектов квантовой физики. Например, графен поглощает 2,3% падающего света, и эта величина определяется только числом та и постоянной тонкой структуры — а. Или парадокс Клейна, открытый в 1929 г., который впоследствии удалось пронаблюдать в графене. Таким образом, полученные и будущие результаты исследований графена важны не только для некоторых отдельных отраслей физики твердого тела, но и для квантовой электродинамики.

Еще одним из уникальных свойств графена является то, что в его отношении возможны успешные теоретические предсказания совершенно неожиданных явлений. Тут можно привести два примера. Первый — это уже упомянутый парадокс Клейна, сначала предсказанный теоретически Михаилом Кацнельсоном совместно с Андреем Геймом и Константином Новоселовым и менее чем через два года получивший экспериментальное подтверждение сразу в двух независимых экспериментах. Второй пример — это полная гидрогенация графена. Сначала это явление и связанные с ним изменения свойств графена были предсказаны теоретически, а затем реализованы экспериментально в лаборатории Андрея Гейма. Получение графана (полностью гидрогенированного графена) значительно расширяет границы химии углеводородов и собственно углерода. Я не могу припомнить другого такого материала или явления, в отношении которого теория работала бы так же хорошо.

Но вернемся к очень поучительной истории открытия графена. Над изготовлением тонких графитовых пленок ученые работали достаточно давно. Нанесение их на поверхность металлов производилось еще в 70-х годах прошлого века; расслоение графита, интеркалированного различными молекулами, — в 80-х; растворение верхних слоев графита и осаждение углерода из паров карбида кремния осуществлялось в 90-е годы, но все эти работы шли достаточно вяло, прежде всего потому, что для текущих нужд техники и электроники этого было вполне достаточно. Получение Геймом и Новоселовым однослойного и двуслойного графена при помощи липкой ленты показывает нам, что, казалось бы, очень сложная проблема может быть решена при помощи довольно простого и оригинального решения. Даже самые первые результаты, касающиеся удивительных физических свойств графена, привели к революции в области получения тонких графитовых и графеновых пленок. Уже в 2006 г. был получен графеновый монослой на поверхности карбида кремния, в котором впервые удалось увидеть экспериментально зонную структуру графена (ту самую «дираковскую точку»). В том же году удалось добиться расслоения оксида графита с последующим достаточно сильным восстановлением оксида графена, через два года удалось получить графен путем расслоения графита в органических растворителях, а также путем осаждения паров углерода на поверхностях рутения и иридия. В следующем 2009 году появились сообщения о расслоении до графена интеркалированного бромом графита, высоком проценте графеновых слоев после обработки графена СВЧ-излучением, а также о получении свободно висящего графена путем осаждения паров углерода на поверхности никеля с последующим растворением металлической подложки. Перечисленные примеры не исчерпывают известных достижений в области получения графена способами, пригодными в ближайшей перспективе для производственного применения. Описанная революция в области производства графена, когда за несколько лет удалось пройти путь длиной в несколько десятилетий, показывает нам, что многие на первый взгляд непреодолимые проблемы, объясняемые вполне объективными физическими законами, а то и прямо запрещенные великими физиками, вполне могут быть преодолены при достаточной мотивации. И поэтому основная заслуга Андрея Гейма, Константина Новоселова и их соавторов не столько в получении первых образцов графена при помощи липкой ленты, а прежде всего в том, что последующими своими работами, раскрывающими все новые и новые свойства этого материала, они вдохновили множество ученых на исследования, которые привели к значительному прорыву в кратчайшие сроки во многих отраслях физики и химии.

Данил Бухвалов,
Computational Materials Science Center,
National Institute for Materials Science, Japan