Драконоборцы. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый

Сотрудники лаборатории стали работать над новым направлением по четырнадцать часов в сутки без выходных и перерывов. В конце 2003 года статья была отправлена в журнал «Нейчэ», но была отвергнута, как не содержащая «существенного научного достижения».

– Вот так причина! – воскликнул удивлённый Андрей. – Нобелевский результат оказался несущественным!

Дзинтара вздохнула:

– Наука не свободна от субъективных суждений даже в экспериментальной области. Статья про графен, новую двумерную кристаллическую форму углерода, была опубликована в журнале «Сайенс» и принесла её авторам заслуженную славу, а в 2010 году – Нобелевскую премию. Манчестерский университет активно поддержал молодых исследователей и выстроил специально для них новый исследовательский Институт графена. Сейчас графен, мономолекулярная прочная плёнка, или первый открытый двумерный кристалл, стал объектом пристального внимания промышленников. Из него собираются делать гибкие экраны, новые виды электронных устройств, фильтры для воды и многое другое. Его даже стали подмешивать в подошвы кроссовок, чтобы они были гибче и прочнее.

– А чем сейчас занимаются Гейм и Новосёлов? – спросила Галатея.

– Они двинулись дальше и создали много других мономолекулярных двумерных кристаллов, обладающих интереснейшими свойствами. Более того – они стали складывать эти двумерные кристаллы в трёхмерную стопку, получая материал с уникальными, заранее заданными свойствами. Нанотехнологии пришли в физику твёрдого тела и обещают новую революцию.

– Что это за физика твёрдого тела? – поинтересовалась девочка.

– О, физика твёрдого тела имеет давнюю историю, которую можно начать с кроманьонцев, живших в Европе более сорока тысяч лет назад. Они сумели среди множества камней, встречающихся на поверхности земли, найти самый прочный и удобный к обработке – кремень. Именно он стал популярным у кроманьонцев материалом, из которого они начали делать наконечники для стрел, кремневые ножи и топоры. Обсидиан, вулканическое стекло, тоже шло на изготовление ножей и наконечников стрел. Современные хирурги изучили обсидиановые ножи древних людей и нашли, что они острее, чем современные скальпели из нержавеющей стали. Если пациент имеет аллергию на металл, то для его лечения используют обсидиановые скальпели, правда с большой осторожностью, потому что они очень хрупкие. Умение найти подходящий камень и создать из него каменное орудие – это технология, которая лежит на стыке минералогии, физики твёрдого тела и механики. Сейчас она кажется древней и примитивной, но в своё время помогала кроманьонцам охотиться и выживать. Потом начались медный, бронзовый и железные века, в которые возникла такая наука, как металлургия. Умение древних оружейников учитывать физику твёрдых тел проявилось, например, в создании сабель из дамасской стали, в которых гибкость клинка соединялась с твёрдостью и режущими свойствами заточенной кромки.

Двадцатый век принёс расцвет физики твёрдых тел.

Ключевым моментом стал 1912 год, когда в Мюнхене на заседании Баварской академии наук был заслушан доклад о рассеянии рентгеновских лучей на кристаллах. Первая, теоретическая, часть доклада была сделана Максом фон Лауэ из Цюриха, а во второй части его ассистенты Фридрих Вальтер и Пауль Книппинг продемонстрировали результаты эксперимента, подтверждающего теорию. Авторы доклада доказали, что рентгеновские лучи имеют волновую природу, а кристаллы обладают периодической атомной структурой. Через три года фон Лауэ получил за открытие нового, очень плодотворного метода исследования кристаллов Нобелевскую премию.

– Всё-таки мне не очень понятно, что такое физика твёрдого тела, – покачала головой Галатея. – Кремниевые ножи, кристаллы, рентгеновские лучи… как это всё объединяется?

– Физика твёрдого тела пытается установить связь между физическими свойствами твёрдых тел, которые нас окружают, и их атомным строением, то есть связать макромир и микромир. Если мы хорошо изучим эти связи, то сможем создавать материалы с нужными нам свойствами – например сверхчистые кристаллы кремния и германия для полупроводников. Именно на примере кристаллов удобно изучать связь между крошечными атомами и нашим макромиром, потому что многократная повторяемость атомной структуры кристалла позволяет получить наглядное макроскопическое отображение этой структуры, например при облучении её рентгеновскими лучами.

Такова двойственная природа физики твёрдого тела. Поэтому в неё вносят важный вклад как квантовые механики, которые рассчитывают квантовое поведение атомов и электронов в твёрдых телах, так и экспериментаторы, которые изучают макроскопическое поведение, например сверхпроводящих образцов. Именно сверхпроводимость является одним из самых перспективных направлений физики твёрдого тела. Если бы были получены высокотемпературные сверхпроводники, работающие в условиях комнатных температур, то это стало бы новой технологической революцией. Экспериментаторы ищут такие сверхпроводники, но практически наугад, потому что хорошей квантово-механической теории высокотемпературных сверхпроводников ещё не создано.

В жилах нашей цивилизации течёт электрическая кровь, поэтому проводники, которые передают электрическую энергию на большие расстояния, и полупроводники, лежащие в основе всей электроники, играют колоссальную роль в экономике планеты. Сейчас специалисты работают над созданием триода на основе графена.

Не менее важным достижением физики твёрдого тела стало создание лазеров. Но об этом мы поговорим в следующей истории.

Сэр Андрей Константинович Гейм (р. 1958) – советский, нидерландский и британский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года за исследование графена. Родился в г. Сочи. Член Лондонского королевского общества, рыцарь-бакалавр по указу королевы Елизаветы II.

Сэр Константин Сергеевич Новосёлов (р. 1974) – российский и британский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года за исследование графена. Родился в г. Нижний Тагил. Член Лондонского королевского общества, рыцарь-бакалавр по указу королевы Елизаветы II. Его работы процитированы более ста тысяч раз.

Графен – первый известный истинно двумерный кристалл. Обладает высокой проводимостью, теплопроводностью и прочностью. Позже были открыты двумерные кристаллы кремния (силицен), фосфора (фосфорен), германия (германен).

Макс фон Лауэ (1879–1960) – немецкий физик. Лауреат Нобелевской премии за 1914 год «за открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах».

Сказка о лазерах и киберах

На очень разных и далёких друг от друга континентах – в Северной Америке и в Австралии – примерно в одно и тоже время родилось двое мальчиков, которым было суждено встретиться в Европе спустя полвека и при весьма необычных обстоятельствах. В то время в Европе шла кровопролитная Первая мировая война, но отзвуки её не доносились до тихих уголков Америки и Австралии. Американца звали Чарльз Таунс, его юность прошла в спокойной благополучной обстановке. До двадцати лет он рос и учился в городке Гринвилл в Южной Каролине, где живописные горы, заросшие густым лесом, переходят в равнину с озерами, фермами и провинциальными городами.

Австралийца звали