Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №12 за 2010 год

Андрей Островский

Глубина плоскости

Константин Новоселов (бороду он давно сбрил) и Анд рей Гейм выполнили работу нобелевского уровня, экспериментируя с обыкновенным грифелем. Кто бы мог подумать, что крошечные чешуйки, остающиеся на грифельной доске, станут первым экспериментально изученным двумерным кристаллом. Фото: ЮЛИЯ БЛЮХЕР, FLICKR

Вполне естественно, что в российских блогах и СМИ немедленно возникла бурная полемика, можно ли считать нобелиатов российскими учеными. За этими по большому счету политическими дискуссиями стал как-то теряться главный вопрос: а за что, собственно, присуждена главная в мире премия? Краткая формулировка, объявленная Нобелевским комитетом, звучит так: «За революционные эксперименты с двумерным материалом графеном». Эта фраза, однако, мало что проясняет для широкой публики, и поэтому СМИ, стремясь к упрощению, сразу приписали им честь «открытия графена», что, вообще говоря, неверно.  Графен — это двумерный углеродный кристалл, то есть твердый одноатомный слой из атомов углерода, образующих шестиугольные ячейки. Правда, называть такой слой твердым можно только с некоторой натяжкой. В обыденном понимании твердость — это способность вещества сохранять форму, сопротивляясь механическим воздействиям. Лист же графена в сотни раз тоньше пленки мыльного пузыря и сам по себе так неустойчив, что фактически не может существовать в свободном состоянии. И все же для физиков это твердое фазовое состояние, поскольку внутри графенового листа сохраняется взаиморасположение атомов углерода. При этом благодаря своей двумерной структуре графен обладает целым рядом совершенно уникальных физических свойств, которые делают его перспективным материалом для электроники.

Меж алмазом и графитом

Удивительные кристаллические свойства углерода связаны с тем, что это самый легкий из элементов, имеющий четыре валентных электрона. Высочайшая твердость алмаза определяется тем, что каждый атом соединен с четырьмя соседями прочными химическими связями, образующими жесткий каркас. В графене же каждый атом связан лишь с тремя соседями, и все атомы кристалла располагаются в углах, заполняющих плоскость правильных шестиугольников. А вот роль четвертого валентного электрона каждого атома существенно иная. С одной стороны, он оказывается как бы лишним и потому свободным, обеспечивая электропроводность   получившейся структуры. С другой — усиливает три основные связи в кристаллической решетке, в результате чего расстояния между соседними атомами в углеродном листе оказываются даже короче, чем в алмазе (0,14 нм против 0,15), а по прочности на разрыв он превосходит алмаз.

Но разве не так устроены слои в кристаллической структуре графита, которую изучают в школе? Совершенно верно, графит как раз и есть толстая пачка графеновых листов. Вместе их удерживают не прочные химические связи, образованные валентными электронами, а слабое межмолекулярное взаимодействие, ведь, по сути, углеродные слои можно рассматривать как гигантские плоские молекулы. Расстояние между ними в 2,4 раза больше, чем между атомами внутри слоя. Слои легко скользят друг по другу, что позволяет делать из графита так называемую твердую смазку.

Еще недавно считалось, что плоские кристаллические решетки существовать не могут — они обязательно свернутся в нанотрубку 1. При этом давно известно, что решетка обычного графита 3 состоит как раз из таких плоских слоев, слабо сцепленных друг с другом, поэтому графит оставляет на бумаге след. Заслуга Гейма и Новоселова в том, что они научились получать графит с плоской решеткой — графен 4 — и исследовали его свойства. В частности, межатомные связи у него оказались сильнее, чем в решетке алмаза 2, поэтому графеновая пленка обладает уникальной прочностью. Фото:  SHUTTERSTOCK, ЮЛИЯ БЛЮХЕР

Парадоксы двумерного мира

Физики изучали графен более полувека, но... лишь теоретически. Дело в том, что на практике выделить графеновый лист ни у кого не получалось. Более того, Лев Ландау в свое время доказал, что это и невозможно сделать. Даже если получить каким-то способом свободный одноатомный лист графена, он не останется плоским, как лист бумаги, а сразу потеряет устойчивость и скомкается или свернется в нанотрубку. Ведь у одноатомного слоя нет никакого сопротивления изгибу, и, соприкоснувшись между собой, участки графенового листа немедленно «склеиваются» теми самыми межмолекулярными силами, которые скрепляют листы в графите.

Неудивительно, что физики скептически относились к попыткам получить графен. Но такие попытки время от времени все же предпринимались — уж очень интересные свойства предсказывали для графена теоретики. Прежде всего надо отметить, что в любом кристалле электрон ведет себя не совсем так, как в свободном состоянии, например, когда его разгоняют на ускорителе. Электроны взаимодействуют с атомами и друг с другом, и у них появляется определенная способность «чувствовать» весь кристалл целиком. Обычно это все же не очень сильно сказывается на их поведении, но вот в графене с электронами происходят настоящие чудеса. Как показали Гейм и Новоселов в своей статье 2005 года, электроны в графене в некоторых отношениях ведут себя так, словно у них вовсе нет массы. Это делает их похожими на безмассовые фотоны и позволяет использовать графен как лабораторию по исследованию релятивистских эффектов в квантовой механике. Причем роль скорости света тут играет скорость Ферми (скорость, соответствующая уровню Ферми, то есть максимальной энергии электрона в твердом теле при температуре абсолютного нуля), которая примерно в 300 раз меньше скорости света. А если еще учесть, что в природе не существует безмассовых заряженных частиц, то электроны в графене представляют собой совершенно уникальную физическую систему.

Многие особенности графена с трудом поддаются популярному описанию — для них просто еще не придумано достаточно удачных аналогий. Например, в квантовой физике известен так называемый парадокс Клейна. Он состоит в том, что релятивистской, то есть движущейся с околосветовой скоростью, частице легче «пронизать» высокий потенциальный барьер (превышающей две ее массы покоя), чем низкий. Как юркая мышь скорее проскользнет между ногами слона, чем между лапами кошки. Но электроны обладают нулевой эффективной массой и в результате оказываются способны уверенно туннелировать через любые потенциальные барьеры, поскольку даже самая маленькая кошка для них бесконечно велика. Это обеспечивает очень высокую подвижность электронов в графене. Даже появление препятствий в виде нарушений кристаллической структуры, примесей или контакта графенового листа с опорой не мешают движению вдоль него электронов.  

Андрей Гейм

1958 — Родился в Сочи в семье инженеров. Школу окончил с золотой медалью. 1976 — Поступил в МФТИ, который окончил с отличием. С 1982-го работал в Институте физики твердого тела в Черноголовке. Кандидатскую диссертацию защитил в 1987-м. В начале 1990-х семья Гейм переехала в Германию (отец ученого — этнический немец). С 2001-го работает в Манчестерском университете, возглавляет отдел физики конденсированного состояния.

Консантин Новоселов

1974 — Родился в Нижнем Тагиле в семье инженера и преподавательницы английского языка. Он самый молодой из всех ныне живущих нобелевских лауреатов. 1997 — С отличием окончил МФТИ. Работал в черноголовском Институте проблем технологии микроэлектроники. Защитил кандидатскую диссертацию. 1999 — Начал работать под руководством Гейма в голландском Неймегене. 2001 — Переехал в Манчестер. 2004 — Защитил докторскую диссертацию. Фото: AP/FOTOLINK (x2)

От игнобеля до нобеля

Константин Новоселов признавался, что успех в выделении монослойного графена отчасти связан с обычаем, которого с давних времен придерживается Андрей Гейм: посвящать пятничный вечер всяким забавным экспериментам, проводимым на скорую руку больше из любопытства и ради развлечения, чем с какой-то серьезной целью. За один из таких экспериментов, в котором живая лягушка парила в сильном магнитном поле, Гейм получил в 2000 году Игнобелевскую премию. Эта пародийная премия присуждается «за достижения, которые заставляют сначала засмеяться, а потом задуматься».

Способ получения графеновых листочков тоже вырос из пятничного эксперимента, когда Новоселов подобрал в соседней лаборатории кусок скотча, которым тамошний сотрудник очищал графитовую поверхность: приклеивал к графиту обыкновенный скотч и отдирал его вместе с поврежденными поверхностными слоями. То, что было мусором у соседей, стало объектом пристального изучения.