Nobelova nagrada za fiziku - 2010 • Žiri je Erin • Znanost Vijesti o „Elementi” • fizika, znanost u Rusiji, nanotehnologije, dobitnik Nobelove nagrade

Nobelova nagrada za fiziku – 2010

Sl. 1. Dobitnici Nobelove nagrade za fiziku za 2010. Andrei Geim (na lijevoj strani) i Konstantina Novoselova. Fotografija iz nobelprize.org

Nobelovu nagradu za fiziku 2010. godine dodijeljena je Andre Geim i Kostya Novoselov sa Sveučilišta u Manchesteru zbog inovativnih eksperimenata s grafenom, dvodimenzionalnog oblika ugljika. Skupina znanstvenika na čelu s njima bila je prva koja je uspjela dobiti grafen i prepoznati ga. Osim toga, rad Heima i Novoselova napravio je važan doprinos proučavanju neobičnih svojstava i značajki novog materijala.

Ugljik je doista jedinstven kemijski element. Može formirati najrazličitije kemijske strukture u obliku jednodimenzionalnih lanaca, cikličnih formacija i prostornih spojeva. Ova različitost osigurava, između ostalog, funkcioniranje genetskih kodova cijelog života na zemlji.

Dugo su poznate tri glavne alotropne modifikacije ugljika – grafita, dijamanta i čađe (amorfni ugljik). Međutim, od sredine prošlog stoljeća, obitelj ugljika počela je rasti brzo. Prvo, otkrivena je jednodimenzionalna ugljika verzije karbina i šesterokutne verzije dijamanta lonsdalelita.Godine 1985. otkrivene su molekule fullerena C.60 i njihovi derivati ​​Cn (niski fullereni – C24, C28, C30, C32, – prosječni fullereni – C50, C60, C70, – hiperfullereni – C76, C78, C82, C84, C90, C96, C102, C106, C110 i divovski fullereni – C240, C540, C960), a kasnije (1996.) donio Nobelovu nagradu u kemiji svojim otkrićima. U manje od 10 godina, svijet je doznao o postojanju cilindrične modifikacije ugljika – jednodimenzionalnih jednoslojnih i višeslojnih ugljikovih nanocjevčica. Konačno, skupina znanstvenika iz Engleske i Rusije 2004. godine dobila je dvodimenzionalni oblik ugljik-grafena. I samo 6 godina nakon otkrića ovog novog alotropnog oblika ugljika, vođe grupe Andrej Geim i Konstantin Novoselov dobili su Nobelovu nagradu za fiziku "za inovativne eksperimente s dvodimenzionalnim grafenskim materijalom".

Što je grafena i kako je otkriveno?

Imamo na raspolaganju najčešći tip ugljika u prirodi – grafita. Grafit je vrlo anizotropna tvar; sastoji se od slabog interakcijskog ravnog sloja ugljikovih atoma (Slika 2). Činjenica da je veza između atoma zrakoplova slaba može se uočiti u procesu crtanja s olovkom na papiru, kada se slojevi grafita lako pomaknu i odvoje, ostavljajući trag na papiru.

Sl. 2. Graphene (vrh slike) je 2D (dvodimenzionalni) građevinski materijal za ostale alotropne modifikacije ugljika. Može se presavijati u 0D-fullerene (na lijevoj strani), uvijen u 1D ugljični nanocijevi (u sredini) ili položen u 3D pilote, stvarajući grafit (s desne strane). Slika iz članka A. K. Geim i K. S. Novoselov Uspon grafena u Prirodni materijali

Pretpostavimo da smo nekako uspjeli "odvojiti" jednu atomsku ravninu od grafitnog kristala. Dobiveni pojedinačni sloj ugljikovih atoma je grafen (zbog ravnog oblika, grafen se također naziva dvodimenzionalni alotropni oblik ugljika). Tako možemo pretpostaviti da je grafit takav stog grafenskih ravnina.

Atomi grafena sastavljeni su u šesterokutnu kristalnu rešetku (poput savijača); udaljenost između susjednih atoma je 0,142 nm. Ova "ambalaža" je toliko gusta da čak ne prolazi male atome helija.

Iako je pojam "grafen" kao naziv jednog grafitnog sloja relativno nedavno pojavio 1987. godine (vidjeti: S. Mouras i sur., Sinteza prvog stupnja grafitnih interkalacijskih spojeva s fluoridima // Revue de chimie minérale (1987). ISSN 0035-1032. V. 24. №5. P. 572-582), teorijska studija svojstava ove tvari počela je još 1947. Kanadski fizičar Philip Wallace izračunao je zakon pokreta elektrona u jednom sloju grafita i utvrdio da je u pojedinim dijelovima, ovisnost energije elektrona na mom momentu (disperzijski zakon) linearna (više o tome pogledajteu odjeljku "Grafene svojstva"). Međutim, do 2004. godine nije se mogao dobiti grafen. Glavna prepreka koja je stajala na putu eksperimentera bila je nemogućnost stabilizacije oblika grafena. Zbog želje da se minimizira njegova površinska energija, ona koagulira, pretvarajući se u različite alotropne modifikacije ugljika – fullerena, nanocjevčica i amorfnog ugljika. (Nešto poput papira za list papira ponaša se kada ga pokušate ispraviti.)

Istraživači nisu dodali optimizam na izjavu autoritativnih teorijskih fizičara Rudolf Peierls i Lev Landau, napravljenog prije više od 70 godina, da dvodimenzionalni oblik kristala ne može postojati slobodno jer će rasipanje atoma pod utjecajem toplinskih fluktuacija biti tako velik da će destabilizirati kristalnu rešetku i njeno raspadanje u odvojene dijelove.

Što je više za znanstvenu zajednicu bilo čudesno djelo Električno polje djelovanja u atomski tankim filmovima ugljika, objavljeno u listopadu 2004. u časopisu znanostu kojoj je izvijestila skupina znanstvenika sa Sveučilišta u Manchesteru i Instituta za mikroelektroniku Tehnološke probleme u Chernogolovki pod vodstvom Andreja Geima i Konstantina Novosiliola o uspješnoj stabilizaciji grafena.U ovom su radu opisali metodu dobivanja grafena i njegovu identifikaciju kao istinski jednostruki grafitni sloj. Nevjerojatno, znanstvenici su proveli sintezu grafena pomoću konvencionalne trake. Vremenom su zaglavili škotsku traku na površinu ploče pirolitičke grafita, a potom su ih odložili, ponavljajući postupak sve dok grafit ne postane potpuno tanak.

Nakon manipulacije sa scotch vrpcom, grafit je prebačen u oksidirani silicijski supstrat. Budući da je svaki put kad se ljepljiva traka izvukla s različitim brojem grafitnih slojeva, grafita ploča "na izlazu" imala je izrazito neujednačenu debljinu i sadržavala je različit broj slojeva. Međutim, u ovom "olakšanju" postojala je sekcija debljine točno jednog sloja ugljikovih atoma – poželjni grafen (za ostale metode sinteze grafena, vidi Graphene: Novi postupci proizvodnje i nedavni napredak, elementi, 30. rujna 2008.).

Kao što se često događa s velikim otkrićima, znanstvenici su malo sretni. Činjenica je da je tehnički teško otkriti grafen u tankoj grafitnoj ploči nejednake debljine pomoću atomske sile i elektronskih mikroskopa skeniranja. Stoga, za traženje grafitnog monosloja, Geim i Novoselov koristili su obični optički mikroskop.Debljina supstrata silicijevog oksida (300 nm) na koju je prenesena tanka grafitna ploča bila je tako dobro odabrana da su, zbog smetnji svjetla, površine različitih debljina imale svoju boju (Slika 3). Najmanje kontrastne, gotovo bezbojne površine odgovarale su najtanjim područjima. Među njima je otkriveno grafene. Tek su kasnije Geim i Novoselov i njegovi kolege, koristeći atomsku snagu mikroskopu, bili uvjereni da je regija koju su pronašli doista jednoslojni i moglo se zvati grafen.

Sl. 3. S lijeve strane: Fotografija grafitne ploče nejednake debljine. Debljina pojedinačnih dijelova prikazana je izravno na fotografiji (te su vrijednosti dobivene uporabom mikroskopa atomske sile). Duljina ljestvice bar 50 mikrona. S desne strane: grafenska slika dobivena s mikroskopom atomske sile. Crna regija odgovara oksidiranom silicijskom supstratu, tamno narančasto područje s debljinom od 0,5 nm je grafen, svijetlo narančasta regija sadrži nekoliko slojeva grafena i debljina 2 nm. Slike iz dodatnih materijala za članak K. S. Novoselov, A.K. Geim et al. Učinak električnog polja u atomski tankim filmovima ugljika u znanost

Iako su veličine prvih kristala grafena dobivene sitnim (oko 1 mikrona), znanstvenici su povezali elektrode s dobivenim uzorcima pomoću posebnog uređajaza proučavanje elektronskih svojstava novog materijala.

Grafene svojstva

Otkriće Andrei Heima i Konstantina Novoselova izazivale su pravu grafensku groznicu. U samo nekoliko godina teoretičari i eksperimenti iz različitih laboratorija proveli su sveobuhvatnu studiju svojstava grafena (grupa Heim i Novosyolov na Sveučilištu u Manchesteru i nadalje ostaje jedan od lidera na ovom području).

Gotovo odmah postalo je jasno da se elektronička svojstva novog oblika ugljika bitno razlikuju od svojstava trodimenzionalnih tvari. Konkretno, eksperimenti su potvrdili predviđanja teoretičara o linearnoj disperziji elektrona. Ali fizičari su znali da fotoni, čestice koje se bez masaka šire u prostoru brzinom svjetlosti, imaju sličnu ovisnost o energiji na pulsu. Ispalo je da elektronovi u grafenu, poput fotona, nemaju masu, ali se kreću 300 puta sporije od fotona i imaju naboj koji nije nula. (Kako bi se izbjegao nerazumijevanje, naglašavamo da se nula mase elektrona promatra samo unutar grafena. Ako se takav elektron može "izvaditi" od grafena, tada bi stekla uobičajena svojstva.)

Linearni zakon o disperziji elektrona, kao i činjenica da su oni fermioni (polu-cjelobrojni spin), čini neophodnim ne koristiti Schrödingerovu jednadžbu, kao u fizici čvrstog stanja, već Dirakova jednadžba koja opisuje grafen. Zato se elektroni u grafenu nazivaju Dirac fermions, a određeni dijelovi kristalne strukture grafena, za koje je zakon o disperziji linearni, su Diracove točke.

Budući da su ove osobine ponašanja elektrona u dvodimenzionalnom ugljiku inherentne relativističkim česticama (s brzinom kretanja blizu brzine svjetlosti), moguće je eksperimentalno simulirati u grafenu neke efekte iz visokoenergetske fizike (na primjer, Kleinov paradoks), koji se obično proučavaju u akceleratorima napunjenih čestica , Zbog toga se grafen šaljivo naziva "desktop CERN" (CERN je Europski centar za nuklearna istraživanja, Large Hadron Collider radi pod njegovom pokroviteljstvom).

Na makroskopskoj skali, linearni zakon o disperziji dovodi do činjenice da je grafen semimetal, to jest poluvodič s nula rasponom, a njegova vodljivost u normalnim uvjetima nije niža od bakra.Štoviše, njegovi su elektroni iznimno osjetljivi na učinke vanjskog električnog polja, tako da mobilnost nosača naboja u grafenu na sobnoj temperaturi može teoretski doseći rekordnu razinu – 100 puta više od silicija i 20 puta više od galijskog arsenida. Ta dva poluvodiča, zajedno s germijanom, najčešće se rabe za stvaranje raznih high-tech uređaja (integrirani krugovi, diode, detektori itd.), A budući da brzina i učinkovitost njihovog rada određuje samo mobilnost elektrona, veća je ta količina, uređaji rade brže i produktivnije.

Grafen je postavio rekord za toplinsku vodljivost. Izmjerena toplinska vodljivost dvodimenzionalnog ugljika je 10 puta veća od toplinske vodljivosti bakra, što se smatra izvrsnim konduktatorom topline. Zanimljivo je, prije otkrića grafena, naslov najboljeg dirigenta topline pripadao drugom alotropnom obliku ugljika – ugljiku nanocijevi. Graphene je poboljšala ovu brojku za gotovo 1,5 puta.

Radi jasnoće, uzimamo u obzir hipotetičku visinu od grafena s površinom od 1 m2, Poznavajući gustoću površine grafena (0,77 mg / m2), lako je izračunati da takva viseća masa iznosi 0,77 miligrama. Unatoč činjenici krhkosti, ova viseća visina će mirno stajati odrasle mačke (težine oko 4 kg). I premda je zbog dvodimenzionalnosti grafena pogrešno usporediti njegove karakteristike čvrstoće s drugim 3D materijalima, za čeličnu mrežu od iste debljine, "kritična" masa koja vodi do rupture bila bi 100 puta manja. To jest, grafen je dva reda veličine jači od čelika.

Sl. 4. Hipotetski primjer koji pokazuje mehaničku čvrstoću grafena. Građansko viseća površina od 1 m2 (masa je manja od miligrama) sposobna izdržati odrasle mačke težine 4 kg. Za usporedbu: čelična viseća mreža istog područja (ako bismo mogli postići istu debljinu) bi 100 puta manja – samo 40 g. Slika od nobelprize.org

Što se tiče optičkih svojstava, grafen apsorbira samo oko 2.3% vidljive svjetlosti bez obzira na to koliko dugo zračenje ima na njemu. (Zanimljivo je da se u teorijskim proračunima taj 2,3% izražava proizvodom broja π i fine strukture konstante α, koji određuje snagu elektromagnetskih interakcija.) To znači da je grafen gotovo bezbojan (to jest, vanjskom promatraču to će se činitida nema grafena viseća mreža, a mačka na sl. 4 visio u zraku).

Izgledi grafena

Trenutačno najčešći i popularniji projekt je korištenje grafena kao nove "temelje" mikroelektronike, namijenjene zamjeni postojećih tehnologija temeljenih na silicijevom, germijanskom i galijskom arsenidu (slika 5). Visoka pokretljivost naboja uz atomsku debljinu čine grafen idealnim materijalom za stvaranje malih i brzih tranzistora na terenu – "cigle" mikroelektroničke industrije. U tom smislu valja istaknuti objavljivanje 100 GHz tranzistora iz epitaksijalnog grafena Scale Wafer, koji se pojavio u jednom od izdanja časopisa u veljači znanost za ovu godinu. Autori ovog rada, osoblje IBM laboratorija, uspjeli su stvoriti grafenski tranzistor koji radi na frekvenciji od 100 GHz (to je 2,5 puta veći od brzine tranzistora iste veličine načinjene na silici).

Sl. 5. Grafena se smatra osnovom buduće mikroelektronike. Slika iz thebigblogtheory.wordpress.com

Kombinacija prozirnosti, dobre električne vodljivosti i elastičnosti grafena dovela je do ideje da je koristi pri stvaranju dodirnih zaslona i fotokolonata za solarne ćelije.Tijekom eksperimenata dokazano je da su takvi uređaji temeljeni na grafenu bolji od gotovo svih indeksa indijsko-kositarovih uređaja na bazi oksida (ITO) koji se trenutno koriste.

Da bismo pokazali kako je grafen obećavajući, dajmo daleko od potpune popisa područja na kojima je njegova upotreba već počela:

  • to je materijal za proizvodnju elektroda u ionionima – kondenzatori s velikim kapacitetom, reda 1 F (farad) i više;
  • temelji se na grafenu, stvoreni su senzori plinovoda koji mogu "osjetiti" čak jednu molekulu plina;
  • pomoću grafena, znanstvenici su obavili sekvencioniranje DNA;
  • u kombinaciji s laserom, grafen može biti lijek za rak (vidi postupak za liječenje raka s grafenom i laserom, Elementi, 7. rujna 2010.).

U pravičnosti, imamo na umu da su uspjesi povezani s upotrebom grafena zauvijek izolirani. Glavne poteškoće leže u sintezi visokokvalitetnih povoljnih grafenskih listova velikog područja, koji imaju stabilan oblik. Ipak, nedavne publikacije o grafenu potiču optimizam. U lipnju ove godine u časopisu Priroda Nanotehnologija Pojavili su se zajednički član korejskih, singapuranskih i japanskih tehnologa u kojima pišu o dobivanju grafena od 30 inča (72 cm, usporediti s mikrometrom veličine prvog grafenskog kristala) metodama koje bi mogle staviti dvodimenzionalnu proizvodnju ugljika na struju. A onda, vjerojatno, razgovori koji je Nobelovu nagradu za fiziku za 2010. godinu izdana za grafen kao neku vrstu predujma za budućnost smanjit će se.

Dobitnici originalnih članaka: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S.V. Morozov, D.Jiang, Y.Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov. Učinak električnog polja u atomski tankim filmovima // znanost, V. 306. P. 666-669. 22. listopada 2004.

izvori:
1) Popis publikacija grupe Andrei Heim i Konstantina Novoselova na web stranici Sveučilišta u Manchesteru (otvoreni pristup).
2) Nobelova nagrada u fizici 2010. – službene informacije Nobelovog odbora.

Vidi također:
1) Grafena – savršena atomska rešetka (PDF, 1,44 Mb) – priopćenje za tisak Nobelovog odbora.
2) Graphen. Znanstvena usporedba Kraljevske akademije znanosti (PDF, 1,07 MB) – znanstvena pozadina.
3) Grafene: nove metode dobivanja i nedavna postignuća, "Elementi", 09/30/2008.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: