ХОД МЕРОПРИЯТИЯ
Ведущий 1: Сегодня мы познакомимся с
открытием российских ученых Андрея Гейма и
Константина Новоселова, за которое они были
удостоены в 2010 году Нобелевской премии по физике.
Нобелевский комитет при Шведской королевской
академии наук присудил премию по физике Андрею
Гейму и Константину Новоселову за
"новаторские эксперименты, касающиеся
двухмерного материала графена". Оба лауреата -
выходцы из Советского Союза: Андрей Гейм
родился в 1958 году в Сочи, Константин Новоселов - в
1974 году в Нижнем Тагиле.
Таким образом, Костя Новоселов - именно так его
обычно именуют в научном мире на Западе - стал
теперь самым молодым нобелевским лауреатом по
физике. А Андрей Гейм - первым ученым,
удостоившимся настоящей Нобелевской премии
после получения так называемой Шнобелевской
премии. Эта награда присуждается раз в год за
научные достижения, "которые сначала вызывают
смех, а затем заставляют задуматься", была ему
присуждена в 2000 году за использование магнитного
поля для демонстрации левитации лягушек. Сегодня
оба новоиспеченных лауреата "большой"
Нобелевской премии работают бок о бок в
Великобритании, в Манчестерском университете.
Ведущий 2: Но сначала обратимся к открытиям
всех предшествующих физиков - Нобелевских
Лауреатов. В этой газете в хронологической
последовательности представлены их работы. А
вклад российских ученых - Нобелевских Лауреатов
отражен в материалах другой газеты. Хочется
отметить, что большинство из этих ученых были
преподавателями или сотрудниками Московского
физико-технического института.
Ведущий 1: Гейм и Новоселов являются
выпускниками МФТИ. На слайде вы видите
студенческие фотографии и зачетки с отличными
оценками будущих Лауреатов. Так что же такое
графен?
Выступающий 1:
Пусть в нашем распоряжении имеется наиболее
встречаемая в природе разновидность
углерода - графит. Графит - сильно
анизотропное вещество; он состоит из слабо
взаимодействующих плоских слоев атомов
углерода. То, что связь между атомными
плоскостями слабая, можно наблюдать
в процессе рисования карандашом на бумаге,
когда слои графита легко смещаются и
отсоединяются, оставляя на бумаге след.
Предположим, что нам каким-то образом удалось
"отщепить" от кристалла графита одну атомарную
плоскость.
Демонстрация: пространственная
кристаллическая решетка графита
Полученный единичный слой атомов углерода и
есть графен. Так что можно считать, что
графит - это такой штабель графеновых
плоскостей.
Атомы графена собраны в гексагональную
кристаллическую решетку (по типу пчелиных сот);
расстояние между соседними атомами 0,142 нм. Эта
"упаковка" настолько плотная, что она не
пропускает даже маленькие атомы гелия.
Хотя термин "графен" в качестве название
единичного слоя графита появился относительно
недавно, в 1987 году, теоретическое изучение
свойств этого вещества началось еще в далеком
1947 году. Однако до 2004 года получить графен
не удавалось. Главное препятствие, стоявшее на
пути экспериментаторов, заключалось в
невозможности стабилизировать форму графена.
Из-за стремления минимизировать свою
поверхностную энергию он сворачивается,
трансформируясь в разнообразные аллотропные
модификации углерода - фуллерены, нанотрубки
и аморфный углерод. (Примерно так ведет себя
свернутый в рулон лист ватмана, когда вы
пытаетесь его распрямить.)
Не добавляло оптимизма исследователям и
заявление авторитетных физиков-теоретиков Рудольфа Пайерлса и Льва Ландау, сделанное более 70 лет назад, о том,
что двумерная форма кристаллов не может свободно
существовать, поскольку смещения атомов под
действием тепловых флуктуаций будут настолько
велики, что это приведет к дестабилизации
кристаллической решетки и ее распаду на
отдельные участки. Тем неожиданнее для научного
сообщества стала статья, вышедшая в октябре
2004 года в журнале Science, в которой
группа ученых из Манчестерского университета и Института проблем технологии микроэлектроники в
Черноголовке под руководством Андрея Гейма и
Константина Новосёлова сообщила об успешной
стабилизации графена. В этой работе они
описали методику получения графена и его
идентификации как действительно единичного слоя
графита. Невероятно, но синтез графена ученые
осуществили с помощью обычной ленты-скотча.
Они раз за разом наклеивали скотч на поверхность
пластинки пиролитического графита, а затем ее
отклеивали, повторяя процедуру до тех пор, пока
графит не станет совсем тонким.
Демонстрация: видеозаписи сообщений об
открытии и получении графена. Русские ученые из Манчестера получили
Нобелевскую премию за открытие графена)
Ведущий 1: С помощью несложного эксперимента
и мы с вами сможем попробовать получить графен.
Наносим измельченный графит на ленту скотча и,
многократно складывая ленту, пытаемся получить
как можно тонкий слой графита на ней. Собственно,
именно так этот новый материал и был впервые
получен: ученые провели мягким графитовым
карандашом по бумаге, затем "промокнули" ее
клейкой лентой - наподобие того, как это делают
криминалисты, снимающие отпечатки пальцев с
обнаруженной на месте преступления бутылки
Ведущий 2: Эта немыслимо тонкая, практически
не имеющая толщины пленка обладает, как
оказалось, рядом ценных, а порой и весьма
необычных свойств.
Выступающий 2: Представьте себе материал в
миллион раз тоньше листа писчей бумаги! Казалось
бы, он должен быть крайне непрочным. Ничего
подобного, напротив! Гексагональная
кристаллическая структура - своего рода плоские
пчелиные соты из атомов углерода - придает
графену гибкость, прочность, эластичность, а
главное - высокую стабильность, в том числе и при
комнатной температуре.
Механические свойства графена позволят
создать новые прочные, тонкие и эластичные
материалы, которые можно будет использовать,
например, в самолетостроении и в автомобильной
промышленности. Цена вопроса - чуть ли не
триллионы долларов. Исследователи из
Колумбийского университета заявили, что графен
является самым прочным материалом, который
когда-либо измерялся. Чтобы порвать пленку
графена толщиной в 0,01 мм, понадобится слон, при
этом его вес должен уместиться на площади равной
кончику карандаша.
Для наглядности рассмотрим гипотетический
гамак из графена площадью 1 м2. Зная
поверхностную плотность графена (0,77 мг/м2),
нетрудно посчитать, что такой гамак имеет массу
0,77 миллиграмм. Несмотря на кажущуюся
хрупкость, этот гамак спокойно выдержит
взрослого кота (массой приблизительно 4 кг).
И хотя из-за двумерности графена сравнивать
его прочностные характеристики с другими
3D-материалами некорректно, для стального гамака
такой же толщины "критическая" масса,
приводящая к разрыву, была бы в 100 раз меньше. То есть
графен на два порядка прочнее стали, точнее в 200
раз.
Что же касается оптических свойств, то
графен поглощает лишь около 2,3% видимого света
независимо от того, какую длину волны имеет
падающее на него излучение. Это означает, что
графен практически бесцветен (то есть
стороннему наблюдателю будет казаться, что
никакого графенового гамака нет, а кот завис
в воздухе). Почти полная прозрачность графена
предполагает использование его в сенсорных
экранах, а если вспомнить о его "сверхтонкости",
то понятны перспективы его применения для
будущих гибких компьютеров(которые можно
свернуть в трубочку подобно газете),
часов-браслетов, мягких световых панелей.
Выступающий 3: Графен обладает высокой
электропроводностью. Это последнее свойство
делает его особенно привлекательным материалом
для электронной отрасли, - говорит профессор
Гейм: "Для полупроводниковой промышленности
очень важно иметь материалы, в которых носители
электрического заряда могли бы передвигаться
без помех. Ведь повсюду, где электроны
рассеиваются на кристаллической решетке,
выделяется тепло. Эти потери, в конечном счете, и
ограничивает рабочую частоту электронных
компонентов. В самом распространенном
полупроводниковом материале - кремнии -
электроны могут передвигаться относительно
свободно. Но, скажем, у арсенида галлия этот
показатель в шесть раз выше. Поэтому в
мобильных телефонах и приемниках спутниковых
сигналов сегодня используются микропроцессоры
на основе арсенида галлия". Графен -
рекордсмен по подвижности электронов. Эта
величина показывает, насколько свободно
носители заряда могут передвигаться внутри
материала. То, что в графене этот показатель
исключительно высок, стало ясно сразу же после
открытия нового материала: профессор Гейм уже
тогда отмечал, что в графене электроны
преодолевают расстояния, в тысячи раз
превышающие межатомные, не рассеиваясь и вообще
практически не реагируя на внешнюю среду.
Дальнейшие измерения показали, что по
подвижности электронов графен превосходит все
известные твердые вещества.
"В графене подвижность электронов в 10 - 20 раз
выше, чем в арсениде галлия, который применяется
довольно широко именно потому, что
характеризуется высокой подвижностью носителей
заряда, - поясняет Андрей Гейм. - Это значительный
качественный скачок, который открывает новые
перспективы в разработке более быстрых
электронных компонентов. Благодаря своим
свойствам, графен считается следующим
поколением материалов, которые найдут свое
применение в наноэлекронике. Он позволит
существенно повысить скорость работы
вычислительных машин, снизить их
энергопотребление и нагревание в ходе работы,
сделать их легкими. Нынешние компьютеры на
кремниевых или арсенид-галлиевых
микропроцессорах работают с тактовой частотой,
измеряемой в мегагерцах и гигагерцах. Графен же
позволит создать чипы, пригодные для
терагерцовых, то есть в 1000 раз более высоких
частот" Профессор Гейм уверен, что со временем
графен изменит повседневную жизнь человека не
менее радикально, чем это некогда сделали
полимеры
Выступающий 4: В настоящее время наиболее
обсуждаемым и популярным проектом является
использование графена как нового "фундамента"
микроэлектроники, призванного заменить
существующие технологии на базе кремния,
германия и арсенида галлия Высокая подвижность
зарядов вместе с атомарной толщиной делают
графен идеальным материалом для создания
маленьких и быстрых полевых транзисторов -
"кирпичиков" микроэлектронной промышленности.
Сотрудники лаборатории IBM, сумели создать
графеновый транзистор, работающий на частоте
100 ГГц (это в 2,5 раза превышает
быстродействие транзистора того же размера,
изготовленного на кремниевой основе).
Графен также может быть использован в качестве
замены тяжелых медных проводов в авиационной и
космической индустрии, а также в широком наборе
гибких электронных устройств, прототипы которых
разрабатываются в наши дни.
Сочетание прозрачности, хорошей электрической
проводимости и эластичности графена привело к
мысли использовать его при создании сенсорных
дисплеев и фотоэлементов для солнечных батарей.
В ходе экспериментов было доказано, что почти по всем показателям
устройства подобного рода на основе графена
лучше, чем используемые сейчас устройства на
основе оксида индия-олова (сокращенно ITO).
Выступающий 5: Чтобы показать, насколько
перспективен графен, приведем далеко не полный
список областей, где его использование уже
началось:
- это материал для изготовления электродов в ионисторах - конденсаторах с
огромной емкостью, порядка 1 Ф (фарад) и
больше;
- на основе графена создаются микрометровые
газовые сенсоры, способные "почувствовать"
даже одну молекулу газа;
- с помощью графена ученые провел секвенирование ДНК;
- в комбинации с лазером графен может
оказаться лекарством от рака.
Справедливости ради заметим, что успехи,
связанные с применением графена, носят пока что
единичный характер. Основные трудности
заключаются в синтезе высококачественных
недорогих листов графена большой площади,
имеющих стабильную форму. Тем не менее последние
публикации, посвященные получению графена,
внушают определенный оптимизм. В июне этого
года в журнале Nature Nanotechnology появилась
совместная статья корейских,
сингапурских и японских технологов, в которой
они пишут о получении 30-дюймовых (72 см;
сравните с микрометровыми размерами первых
кристаллов графена) графеновых листов методами,
которые, возможно, поставят производство
двумерного углерода на поток.) И тогда,
наверное, поутихнут разговоры о том,
что Нобелевская премия по физике за 2010 год
была выдана графену как своеобразный аванс на
будущее.
В сообщении Шведской академии о присуждении
премии говорится, что в будущем из пластика с
добавлением графена могут производиться
спутники, самолеты и автомобили, необыкновенно
легкие и прочные.
Вы сами подумайте: у вас есть материал, самый
тонкий из всех, которые можно создать. Это самый
прочный материал, который можно получить, самый
эластичный, самый проводящий, у него есть еще с
десяток свойств, к которым применимо слово
"самый".
Выступающий 6:
Графен - материя толщиной в атом. Графен
похож на ткань. Только в 200 раз прочнее стали.
Прозрачный, тонкий, не рвется, зато тянется и
гнется во все стороны. Это снаружи. А внутри
скорость перемещения электронов в нем в 200 раз
выше, чем в кремнии, на базе которого сейчас
работает вся микроэлектроника. В сущности, с
приходом графена эту самую микроэлектронику
ждет технологическая революция. Гаджеты станут
на порядки легче, быстрее, компактнее,
многофункциональнее. Южные корейцы уже сейчас
вовсю демонстрируют рекламный фильм о
возможностях графеновых дивайсов. В их
представлении это такие тонкие гибкие пластинки,
которые совместят в себе все, что вам вообще
может потребоваться для связи и получения
информации: мобильный телефон, телевизор,
интернет, навигатор: Мы что-то забыли?
Это типичные нанотехнологии. Великий
углерод, став когда-то основой жизни
биологической, вот-вот, похоже, станет основой
жизни микроэлектронной. Весь вопрос в технологии
получения, над которыми работает сейчас чуть ли
не весь мир. Основные трудности заключаются в
синтезе высококачественных недорогих листов
графена большой площади, имеющих стабильную
форму. В июне этого года в журнале Nature
Nanotechnology появилась совместная статья корейских,
сингапурских и японских технологов, в которой
они пишут о получении 30-дюймовых (72 см)
графеновых листов методами, которые, возможно,
поставят производство двумерного углерода на
поток. И тогда, наверное, поутихнут разговоры о том,
что Нобелевская премия по физике за 2010 год
была выдана графену как своеобразный аванс на
будущее. Если технология окажется
рентабельной, нас ждет новый, совершенно новый
мир.
Выступающий 7:
Открытие Андрея Гейма Константина Новоселова
спровоцировало настоящую графеновую лихорадку.
Изученные свойства графена позволяют говорить
об уникальном сочетании уникальных свойств
этого материала. Потенциальные области
применения графена включают:
- замену углеродных волокон в композитных
материалах, с целью создания более легковесных
самолетов и спутников;
- замена кремния в транзисторах;
- внедрение в пластмассу, с целью придания ей
электропроводности;
- датчики на основе графена могут обнаруживать
опасные молекулы;
- прозрачное токопроводящее покрытие для
солнечных панелей и для мониторов;
- более устойчивые к механическому воздействию
медицинские импланты;
- улучшение тачскринов;
- наноленты из графена отправят в утиль
компактдиски;
- герметичные пластиковые контейнеры, которые
позволят неделями хранить в нем еду, и она будет
оставаться свежей и т.д.
И это всего лишь вершина айсберга возможностей
применения графена. Представьте себе
последствия хотя бы только компьютерной
революции. IBM уже продемонстрировала 100 GHz
транзистор на основе графена и заявила, что на
горизонте уже маячит процессор мощностью в 1 THz.
Графен предоставляет неограниченные
возможности практически во всех областях
индустрии и производства.
Завершающим этапом научно-практической
конференции явилась викторина, состоящая из
вопросов, представленных на слайдах компьтерной
презентации, и награждение наиболее активных
участников.