Меню
Украинские «корни» графена
09.04.2016 Статьи

История знаменитого ныне графена началась задолго до того, как британские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов при помощи скотча получили слой углерода толщиной в один атом. Теоретически свойства подобной «чешуйки» пытались определить многие, но первым удалось это группе ученых из Института теоретической физики НАН Украины под руководством профессора, доктора ф.-м. наук Валерия Гусынина. И когда Гейм и Новоселов стали определять свойства графена, им подсказали, что эта проблема уже решена украинскими теоретиками. Журналист сайта http://noos.com.ua попросил Валерия Гусынина рассказать о своих исследованиях.

– Валерий Павлович, физики утверждают, что ваша научная группа предусмотрела теоретические свойства графена еще до того, как его экспериментально получили Гейм и Новоселов. Расскажите, пожалуйста, подробнее: что вы исследовали, какие результаты получили, и на каком этапе к вам обратились Гейм и Новоселов?

– Моя группа занимается физикой высоких энергий, элементарными частицами. В теории поля мы обнаружили интересный механизм, когда за счет присутствия магнитного поля возникает необычный эффект по генерации массы. Мы его назвали магнитный катализ. Для реализации этого эффекта требуются гигантские поля, которые в земных условиях создать невозможно. С другой стороны, мы определили, что на земле этот механизм можно реализовать в так называемых низкоразмерных структурах. Начали искать подтверждения нашим выкладкам, и обратили внимание на две структуры, где есть частицы, похожие на релятивистские. Это а) среды со сверхпроводимостью и б) графен. Тогда, в начале 2000-х годов, графен еще получен не был. Но теоретические основы его существования были рассмотрены давно, в середине прошлого века, с 1947 года. Мы рассмотрели модель канадского физика Уоллеса и развили ее.

Это была чистая абстракция, никто не верил, что такой материал может существовать. Знаменитый физик Ландау отрицал возможность подобной структуры материала толщиной в один атом. Он брал лист бумаги и показывал, что лист под собственным весом гнулся и обвисал. Но, как оказалось, с графеном ситуация другая. Если тот же лист бумаги смять, он становится гофрированным, в нем возникают ребра жесткости.

Нам удалось далеко продвинуться в исследованиях. В 2002 году мы опубликовали в ведущем мировом физическом журнале Physical Review статью с описанием наших теоретических разработок. Суть их была в том, что в слое графита толщиной в один атом, частицы, попавшие в эту структуру, ведут себя не по законам классической физики, а согласно релятивистских законов. В чем разница? В обычном твердом теле энергия частицы пропорциональна ее импульсу в квадрате. А в релятивистской теории энергия пропорциональна импульсу в первой степени. Именно так, по нашим выводам, должны были вести себя электроны в графене. Это были совершенно удивительные, неправдоподобные результаты. Благодаря им возникло новое направление в науке – релятивистской физики в твердом теле.

Когда в 2003 году Гейм и Новоселов получили реальный графен, то в первой опубликованной ими работе они давали совершенно другую интерпретацию его свойств – исходя из законов физики твердого тела. Не знаю, кто им подсказал обратить внимание на нашу публикацию, но вскоре от Гейма и Новоселова к нам пришло письмо. Они отказались от своей первоначальной трактовки и склонились к нашей, предусмотренной в 2002 году. Более того! Нами были предусмотрены кое-какие свойства и зависимости, их можно было проверить экспериментально. Гейм и Новоселов провели опыты и убедились в нашей правоте.

Графеновая «колыбель для кошки»

– По описаниям опытов Гейма и Новоселова, они фиксировали графеновую чешуйку на подложке из оксида кремния.

– Да, сначала они получили графен на подложке. Затем присоединили контакты и вытравили подложку, чтобы она не мешала проявления нужного эффекта. Окись кремния – диэлектрик, он вроде не мешает. Но для чистоты эксперимента от подложки избавились. Чешуйка графена осталась висеть на контактах. И целый ряд опытов показал, что эта частица имеет совершенно необычные свойства. Среди них были эксперименты, основанные на наших с Сергеем Шараповым теоретических разработках. Они полностью подтвердили наши предположения. В 2005 году мы опубликовали в Physical Review в одном номере с Гейм результаты наших теоретических исследований с графена. Оказалось, что мы имеем дело с новой сущностью, такой среди материалов еще не было.

После этих публикаций были другие ваши совместные с группой Гейма работы?

– Да. Мы описали набор базисных свойств, из которых следовало, что электроны в графене ведут себя совсем иначе, чем в других материалах. Мы изучали, как графеном поглощается свет. И пришли к выводу, что из него можно делать управляемые переключатели: меняя напряжение на электродах, легко управлять прозрачностью материала. Как показал Андрей Гейм, один слой графена поглощает света столько, сколько оконное стекло. С одной стороны, это кажется мало. А с другой, оконное стекло – это миллиарды слоев атомов, в отличие от однослойного графена. И самое важное, что это поглощение можно включать или выключать. В 2007 году были сделаны эксперименты, которые подтвердили наши прогнозы. Их провели несколько научных коллективов: та же группа Гейма, потом присоединились российская группа Басова и другие.

– Чем оказались настолько интересны эти чешуйки графита, вокруг них в мире поднялся такой шум?

– Общее число работ по этой тематике достигло десяти тысяч! А количество ссылок на нашу публикацию 2005 приближается к пяти сотням. Уже сегодня на базе графена созданы сенсоры, которые могут выявить наличие одной молекулы вещества. Их можно использовать для поиска взрывчатки. На графеновую плоскость умудряются «сажать» атомы других элементов, полученные материалы имеют необычные свойства. С помощью графена можно хранить водород – такой материал называется графан. Если же на свободные связи графена «посадить» атомы фтора, можно получить материал с очень большим сопротивлением. Исследователи испытывают на графене больше технологи. Так, фирма Самсунг объявила, что в 2012 году собирается сделать сенсорные экраны мобильных телефонов с графена. Графеновая сетка по прочности превышает алмаз, это проверено экспериментально. В нобелевском докладе Гейма приводится пример, гамак размером метр на метр, сделанный из графена, то есть из сетки толщиной в один атом, выдержит вес кошки. Может, они вернутся …

Сакраментальный вопрос: как сейчас работается физикам в Украине?

– Если вы будете на все, что происходит вокруг, обращать внимание, то на науку сил и времени не останется. Надо работать, несмотря ни на что. В случае теоретиков это все-таки удается, поскольку нам не столь нужна дорогостоящая аппаратура. Сейчас для ученых мира существуют прекрасные средства коммуникации: интернет, е-мейл, скайп.

– Насколько наши ученые востребованы в мировом научном процессе?

– Один ученый из нашей группы уехал в США, он там уже профессор. Мы продолжаем переписываться, встречаемся – то тут, то в Штатах. Говорить о широком фронте физических исследований в Украине, конечно, сложно. Но в отдельных направлениях позиции украинских теоретиков сильные. У меня работает аспирант, он уже получил приглашение в Англию. Для молодых ученых это полезно. Там условия жесткие, конкурентная среда. Может, он потом сюда вернется, обогатившись местным опытом. Сами американцы не очень охотно идут в науку, поскольку она не дает быстрого обогащения. Поэтому в научные лаборатории принимают многих граждан других стран, в том числе из Украины. Они набираются опыта. Затем, возможно, вернутся в Украину, если здесь будут созданы для науки нормальные условия.

– Чем сейчас занимается ваша группа в Институте теоретической физики?

– Сейчас особое внимание привлекает двухслойный графен. Он оказывается чем-то вроде конденсатора. Можно также создавать транзисторы толщиной в пару атомных слоев. Мы занимаемся разработкой таких теоретических моделей, где помимо электрического поля включается еще и магнитное. В мире возникает целая отрасль материаловедения, связанная с графеном. Надеюсь, наши результаты будут востребованы.

Анатолий Лемыш

Источник:  Ноосфера

*