Українське «коріння» графену

Історія знаменитого нині графену почалася задовго до того, як британські вчені Андрій Гейм і Костянтин Новосьолов за допомогою скотча отримали шар вуглецю товщиною в один атом. Теоретично властивості подібної «лусочки» намагалися визначити багато людей, але першим вдалося це групі вчених з Інституту теоретичної фізики НАН України під керівництвом професора, доктора ф.-м. наук Валерія Гусиніна. І коли Гейм і Новосьолов стали визначати властивості графену, їм підказали, що ця проблема вже вирішена українськими теоретиками. Журналіст сайту http://noos.com.ua попросив Валерія Гусиніна розповісти про свої дослідження.

– Валерій Павлович, фізики стверджують, що ваша наукова група передбачила теоретичні властивості графену ще до того, як його експериментально отримали Гейм і Новосьолов. Розкажіть, будь ласка, детальніше: що ви досліджували, які результати отримали, і на якому етапі до вас звернулися Гейм і Новосьолов?

– Моя група займається фізикою високих енергій, елементарними частинками. У теорії поля ми виявили цікавий механізм, коли за рахунок присутності магнітного поля виникає незвичайний ефект по генерації маси. Ми його назвали магнітний каталіз. Для реалізації цього ефекту потрібні гігантські поля, які в земних умовах створити неможливо. З іншого боку, ми визначили, що на землі цей механізм можна реалізувати в так званих низькорозмірних структурах. Почали шукати підтвердження нашим викладкам, і звернули увагу на дві структури, де є частинки, схожі на релятивістські. Це а) середовища з надпровідністю і б) графен. Тоді, на початку 2000-х років, графен ще отриманий не був. Але теоретичні основи його існування були розглянуті давно, в середині минулого століття, з 1947 року. Ми розглянули модель канадського фізика Уоллеса і розвинули її.

Це була чиста абстракція, ніхто не вірив, що такий матеріал може існувати. Знаменитий фізик Ландау заперечував можливість подібної структури матеріалу товщиною в один атом. Він брав аркуш паперу і показував, що лист під власною вагою гнувся і обвисав. Але, як виявилося, з графеном ситуація інша. Якщо той же аркуш паперу зім’яти, він стає гофрованим, в ньому виникають ребра жорсткості.

Нам вдалося далеко просунутися в дослідженнях. У 2002 році ми опублікували в провідному світовому фізичному журналі Physical Review статтю з описом наших теоретичних розробок. Суть їх була в тому, що в шарі графіту товщиною в один атом, частинки, що потрапили в цю структуру, ведуть себе не по законам класичної фізики, а відповідно до релятивістських законів. У чому різниця? У звичайному твердому тілі енергія частинки пропорційна її імпульсу в квадраті. А в релятивістській теорії енергія пропорційна імпульсу в першому ступені. Саме так, за нашим висновкам, повинні були вести себе електрони в графені. Це були абсолютно дивовижні, неправдоподібні результати. Завдяки їм виник новий напрям у науці – релятивістської фізики в твердому тілі.

Коли в 2003 році Гейм і Новосьолов отримали реальний графен, то в першій опублікованій ними роботі вони давали зовсім іншу інтерпретацію його властивостей – виходячи із законів фізики твердого тіла. Не знаю, хто їм підказав звернути увагу на нашу публікацію, але незабаром від Гейма і Новосьолова до нас прийшов лист. Вони відмовилися від свого первісного трактування і схилилися до нашого, передбаченого в 2002 році. Більш того! Нами були передбачені якісь властивості і залежності, їх можна було перевірити експериментально. Гейм і Новосьолов провели досліди і переконалися у нашій правоті.

Графенова «колиска для кішки»

– За описами дослідів Гейма і Новосьолова, вони фіксували графенову лусочку на підкладці з оксиду кремнію.

– Так, спочатку вони отримали графен на підкладці. Потім приєднали контакти і витравили підкладку, щоб вона не заважала прояву потрібного ефекту. Окис кремнію – діелектрик, він начебто не заважає. Але для чистоти експерименту від підкладки позбулися. Лусочка графена залишилась висіти на контактах. І цілий ряд дослідів показав, що ця частинка має зовсім незвичайні властивості. Серед них були експерименти, засновані на наших з Сергієм Шараповим теоретичних розробках. Вони повністю підтвердили наші передбачення. У 2005 році ми опублікували в Physical Review в одному номері з Геймом результати наших теоретичних досліджень з графену. Виявилося, що ми маємо справу з новою сутністю, такий серед матеріалів ще не було.

– Після цих публікацій були інші ваші спільні з групою Гейма роботи?

– Так. Ми описали набір базисних властивостей, з яких випливало, що електрони в графені ведуть себе зовсім інакше, ніж в інших матеріалах. Ми вивчали, як графеном поглинається світло. І прийшли до висновку, що з нього можна робити керовані перемикачі: змінюючи напругу на електродах, легко керувати прозорістю матеріалу. Як показав Андрій Гейм, один шар графена поглинає світла стільки, скільки віконне скло. З одного боку, це здається мало. А з іншого, віконне скло – це мільярди шарів атомів, на відміну від одношарового графена. І найважливіше, що це поглинання можна вмикати або вимикати. У 2007 році були зроблені експерименти, що підтвердили наші прогнози. Їх провели кілька наукових колективів: та ж група Гейма, потім приєдналися російська група Басова та інші.

– Чим виявилися настільки цікаві ці лусочки графіту, що навколо них у світі піднявся такий шум?

– Загальне число робіт з цієї тематики досягло десяти тисяч! А кількість посилань на нашу публікацію 2005 наближається до п’яти сотень. Вже сьогодні на базі графену створені сенсори, які можуть виявити наявність однієї молекули речовини. Їх можна використовувати для пошуку вибухівки. На графенову площину примудряються «садити» атоми інших елементів, отримані матеріали мають незвичайні властивості. За допомогою графена можна зберігати водень – такий матеріал називається графан. Якщо ж на вільні зв’язки графена «посадити» атоми фтору, можна отримати матеріал з дуже великим опором. Дослідники пробують на графені всі доступні технологи. Так, фірма Самсунг оголосила, що в 2012 році збирається зробити сенсорні екрани мобільних телефонів з графену. Графенова сітка по міцності перевищує алмаз, це перевірено експериментально. У нобелівській доповіді Гейма наводиться приклад, що гамак розміром метр на метр, зроблений з графену, тобто з сітки товщиною в один атом, витримає вагу кішки. Може, вони повернуться…

– Сакраментальне запитання: як зараз працюється фізикам в Україні?

– Якщо ви будете на все, що діється навколо, звертати увагу, то на науку сил і часу не залишиться. Треба працювати, не дивлячись ні на що. У разі теоретиків це все-таки вдається, оскільки нам не настільки потрібна дорога апаратура. Зараз для вчених світу існують прекрасні засоби комунікації: інтернет, е-мейл, скайп.

Наскільки наші вчені затребувані в світовому науковому процесі?

– Один вчений з нашої групи виїхав до США, він там уже професор. Ми продовжуємо листуватися, зустрічаємося – то тут, то в Штатах. Говорити про широкий фронт фізичних досліджень в Україні, звичайно, складно. Але в окремих напрямках позиції українських теоретиків сильні. У мене працює аспірант, він вже отримав запрошення до Англії. Для молодих вчених це корисно. Там умови жорсткі, конкурентна середа. Може, він потім сюди повернеться, збагатившись тамтешнім досвідом. Самі американці не дуже охоче йдуть в науку, бо вона не дає швидкого збагачення. Тому в наукові лабораторії беруть багато громадян інших країн, у тому числі з України. Вони набираються досвіду. Потім, можливо, повернуться в Україну, якщо тут будуть створені для науки нормальні умови.

– Чим зараз займається ваша група в Інституті теоретичної фізики?

– Зараз особливу увагу привертає двошаровий графен. Він виявляється чимось на зразок конденсатора. Можна також створювати транзистори товщиною в пару атомних шарів. Ми займаємося розробкою таких теоретичних моделей, де крім електричного поля включається ще й магнітне. У світі виникає ціла галузь матеріалознавства, пов’язана з графеном. Сподіваюся, наші результати будуть затребувані.

Анатолій Лемиш

Джерело: Ноосфера