Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» www.strata.spb.ru У книги есть сайт Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Автор идеи и научный редактор серии СЕРГЕЙ ДЕМЕНОК Санкт-Петербург.2019 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» УДК 53 + 67 ББК 30.37 П82 П82 Просто графен. — СПб.: Страта, 2019. — 98 с., илл. — (серия «Просто») ISBN 978-5-907127-17-3 Графен называют новым технологическим прорывом, который можно применить везде. Графен тоньше и прочнее алмаза, он может проводить электричество гораздо лучше меди и кремния. Открытие графена называют одним из самых удивительных событий в физике XXI века. Двое ученых, выходцев из России, создали чудо-материал буквально на коленке и получили за его открытие Нобелевскую премию по физике в 2010 году. С этого времени графен предопределяет развитие многих инновационных сфер научной и промышленной деятельности: это решение проблемы чистой воды, загрязнения окружающей среды и изменения климата; перспектива создания полноценных конечностей, органов и даже нервов; экологичные источники энергии; гибкие дисплеи смартфонов и сверхтонкая одежда, выдерживающая низкие температуры; быстрые компьютеры и легкие прозрачные самолеты... Все права защищены. Никакая часть настоящей книги не может быть воспроизведена или передана в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, будь то электронные или механические, включая фотокопирование и запись на магнитный носитель, а также размещение в Интернете, если на то нет письменного разрешения владельцев. All rights reserved. No parts of this publication can be reproduced, sold or transmitted by any means without permission of the publisher. УДК 53 + 67 ББК 30.37 ISBN 978-5-907127-17-3 © Яковлева Т. С. перевод на русский язык, 2018 © ООО «Страта», 2019 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 2010 год. Нобелевскую премию по физике получили Андрей Гейм, 51 год, и Константин Новоселов, 36 лет. И если предыдущие российские лауреаты (Жорес Иванович Алферов, 2000 г., и Виталий Лазаревич Гинзбург, 2003 г.) награждались за достижения, сделанные еще в советский период, Новоселов и Гейм получили премию за открытие, датированное 2004 годом. А это по меркам Нобелевского комитета буквально только что. Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ВВЕДЕНИЕ. ПРОСТЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ БОЛЬШОЙ НАУКИ Квантовая теория Планка, теория относительности Эйнштейна, радиотелеграф Попова, открытие черных дыр Шварцшильдом — все это создавалось в условиях малого финансирования и недостатка кадров, часто одним-двумя людьми в скромных лабораториях. Научные проекты XXI века, напротив, требуют огромных бюджетов и, соответственно, целых команд. Но в настоящей книге мы поговорим об объекте, который опроверг эти установки. Вернемся к колоссальным научным открытиям, совершенным с наступлением миллениума. В начале XXI века был опубликован проект «Геном человека» с суммой финансирования 3 млрд долларов США от государственной компании плюс 300 млн долларов США от частных лиц. В 2013 году командой, работающей в ЦЕРНе с Большим адронным коллайдером, был открыт бозон Хиггса (непосредственно сам коллайдер и работа над ним стоили более 5 млрд долларов США). А в 2016 и 2017 годах мир получил из обсерваторий LIGO открытие гравитационных волн. Стоимость открытия составила более 1 млрд долларов США, в проекте приняли участие более 1000 ученых. Впечатляющие цифры, не так ли? А теперь давайте отправимся в Манчестер, к двум ученым русского происхождения, у которых помимо крошечного бюджета на развитие имелась только парочка блоков графита и несколько рулонов клейкой ленты… И этих составляющих оказалось достаточно, чтобы совершить технологический прорыв XXI века: ученые разработали сверхтонкий и вместе 4 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Введение. Простые решения для большой науки с тем сверхпрочный материал, имеющий огромную практическую ценность. Бывшие советские граждане, выпускники МФТИ, впервые встретились, когда Андрей Гейм курировал Константина Новоселова в его докторантуре в Университете Рэдбуд в Неймегене, Нидерланды. На тот момент Гейм уже был состоявшимся ученым в области естественных наук, известным своими причудами и нестандартным мышлением. Почему? Десятилетием ранее получения Нобелевской премии Гейм был награжден Шнобелевской премией 1 1 за левитацию лягушек и хомяков с помощью магнитного поля! Можно считать это событие началом истории графена. Итак… 5 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ЛЕВИТАЦИЯ ЛЯГУШКИ И МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ Если вы когда-либо играли с двумя магнитами, то знаете, что, когда они выровнены от Северного полюса к Северному или от Южного полюса к Южному — они будут отталкиваться. При использовании достаточно сильных магнитов таким образом можно заставить один из них зависнуть (буквально парить) над другим. Это свойство имеет широкое практическое применение, например, в устройстве маглевов — поездов на магнитных подушках. Разработка маглевов началась в начале XX века в разных странах. Так, немецкий изобретатель Альфред Зейден в 1902 году получил патент на конструкцию поезда с линейным двигателем, а спустя несколько лет Франклин Скотт Смит разработал прототип поезда на электромагнитном подвесе. В конце 1940-х годов британский инженер Эрик Лэйзвейт, известный как отец маглевов, разработал первый рабочий полноразмерный прототип линейного асинхронного двигателя. В 1960-х он участвовал в разработке скоростного поезда Tracked Hovercraft, но проект закрыли из-за нехватки средств. Первый в мире прототип поезда на магнитной подушке с лицензией для перевозки пассажиров появился уже в 1979 году. Это был Transrapid 05 . В 1980-х проекты по созданию скоростных поездов разрабатывались и реализовывались в Англии, Германии, США, Корее, Китае и Японии. Технология магнитного подвеса основана на трех подсистемах: левитации, стабилизации и ускорении. Такие поезда используют электромагнитное поле, сила которого изменяется во времени. Рельсовое полотно выполнено из проводника, а поезд вместо колесных пар оснащен опорными и направляющими электромагнитами. Система левитации работает с помощью батарей, установленных на борту поезда, которые подзаряжаются линейными генераторами, встроенными в опорные магниты. Если поезд вдруг остановится, он сможет достаточно долго левитировать на батареях. Эта технология называется EMC, на ее основе сконструированы поезда Transrapid, например, шанхайский маглев. 6 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Левитация лягушки и магнитные поля Чтобы заставить многотонной поезд буквально плавать в воздухе, необходимы очень высокие мощности, однако это становится возможным благодаря обычному свойству отталкивания между магнитом и куском металла, в котором магнит индуцирует магнитное поле. Как известно, магнит не действует на живые существа. Тем не менее, Андрей Гейм вместе с Майклом Берри из Бристольского университета заставили лягушку парить в воздухе с помощью только одного электромагнита. Как же возможна магнитная левитация живых существ? Такие материалы, как железо, кобальт и никель относятся к магнитным. А как лягушка или хомячок смогут парить в магнитном поле? Дело в том, что живые существа и все вокруг нас состоит из миллиардов атомов вместе с электронами, вращающимися вокруг ядра. Если же лягушку поместить в сильное магнитное поле, электроны поменяют свою орбиту, что обеспечит их атомам собственное магнитМагнитная ное поле. Таким образом, лягушка сама состоит левитация из множества маленьких магнитов, это явление известно как диамагнетизм. Оно распространяется и на другие материалы: воду, золото или клубнику, также являющиеся диамагнетиками. Возникает логичный вопрос: а как же притяжение Земли? Сила гравитации кажется очень мощной. Но если осознать, что гравитационное влияние всей Земли не может справиться с маленьким магнитиком, который крепко держится на холодильнике, можно понять, что гравитация в разы слабее электромагнетизма. Лягушки были выбраны в качестве объекта для эксперимента, потому что они легкие и у них большое содержание воды. Изначально эксперимент проводился над капельками воды, а потом уже над живыми существами. Главной проблемой при работе с животными оказалась следующая: мощное магнитное поле может создать электрический ток в мозге. Это наблюдается в медицинском процессе, известном как транскраниальная магнитная стимуляция, при котором сильные магниты, расположенные возле черепа, воздействуют на мозг. На низких частотах они полезны, но в достаточно 7 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен сильном поле индуцированные токи могут вызывать судороги (в экспериментах лягушки не пострадали). В 2001 году Гейм, наделенный своеобразным чувством юмора, опубликовал в солидном журнале по физике статью о возможностях использования магнитной левитации, а в соавторы взял своего хомяка, замаскировав в списке авторов его звериную сущность инициалами. Гейм утверждал, что хомяк внес непосредственный вклад в эксперимент, послужив предметом левитации. Но после опыта хомяк испытывал Летающая стресс, а лягушка выглядела спокойной. лягушка 8 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ИСТОРИЯ ГРАФИТА Графен — это слой графита толщиной в один атом, одна из кристаллических форм углерода. Мы все время от времени используем графит в повседневной жизни, например, из графита сделан стержень для карандаша. Раньше для этих целей использовали другие, на первый взгляд весьма странные вещества. Считается, что первые карандаши появились в XIV веке и представляли собой глинистый черносланцевый стержень, завернутый в кожу. Позднее сланец был заменен порошком из жженой кости, замешанным с растительным клеем. Но прародителями карандаша считаются свинцово-цинковые и серебряные палочки, состоящие из куска проволоки, которую иногда припаивали к ручке, их называли серебряными карандашами. Писать такими инструментами было тяжело, да и линии выходили не особо четкими. В XVI веке для ведения записей начали использовать графит, за короткое время он стал настолько популярен, что европейские залежи «черного мела» отрабатывались очень быстро. Это продолжалось вплоть до открытия месторождения графита в Кемберленде, Англия. Тогда монархом был издан указ, в котором запрещалось вести добычу «черного мела» дольше Рис. 1. Кристаллическая решетка графита 9 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен полутора месяцев в год и вывозить его за границу. Поэтому весь графит того времени в Европе имел контрабандное английское происхождение, а цены на него взлетели до небес. В то же время французы изобрели «парижский карандаш», состоящий из черной сажи и светлой глины, отличавшейся особой мягкостью. Сначала графит использовали в виде палочек только для рисования, а с появлением у них обертки — и для письма. В трактате о минералах Конрада Геснера 1565 года имеется первое описание карандаша из графита, вставленного в дерево. Графит удобно использовать в качестве пишущего предмета из-за его кристаллической структуры (рис. 1). Мы привыкли думать, что кристаллы прозначные и твердые, поэтому при упоминании кристалла представляем бриллиант. Но любой элемент или соединение с постоянной повторяющейся структурой, где атомы связаны в решетку, является кристаллом. Например, металлы тоже кристаллы, хоть они сильно не похожи на бриллианты. И графит, как и бриллиант, является кристаллической формой углерода, но с другим расположением атомов. Кристалл графита состоит из множества тонких и прочных слоев, способных легко отделяться друг от друга при давлении. Это свойство и нашло применение в стержне карандаша. Оно же помогло и в производстве графена, потому что графен не что иное, как слой графита в один атом толщиной. Но след карандаша на листе бумаги содержит множество слоев графита, а в случае с графеном вы не смогли бы разглядеть, что написали: он невероятно мал. Как же Новоселову и Гейму удалось произвести столь тонкое удивительное вещество? 10 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» УСПЕШНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В 2001 году Андрей Гейм переехал в Манчестер из Нидерландов, заняв пост профессора физики. Ему нравилось смотреть на науку как на увлекательное приключение. Он утверждал, что одним из препятствий на пути любимый работы является «сухой академизм». По его словам, есть люди, которых ставят на рельсы, как поезд, и они продолжают делать одно и то же каждый день, начиная от колыбели до гроба. Все они идут по одной и той же прямой железнодорожной линии — прямолинейной, как в Сибири. Андрей Гейм говорил: «Я знаю много русских и англичан, которые делают то же самое, не пытаясь свернуть в другом направлении, потому что это опасно. Когда вы переезжаете с места на место, вы изучаете разные вещи, и это (дает вам) детали для игры в Lego. Чем больше у вас деталей, тем более сложные структуры вы можете создать». Это отражает суть подхода Гейма к работе. Его «доктрина Лего» заключается в том, чтобы разглядеть все детали, что есть в лаборатории, и попытаться создать что-то кардинально новое. А по аналогии с железной дорогой это означает отклонение от привычного курса к новым местам, полным зеленых полей и живописных пейзажей. Андрей Гейм начал научную деятельность в Институте физики твердого тела в Черноголовке неподалеку от Москвы. Его диссертация называлась «Исследование механизмов транспортной релаксации в металлах методом сопротивления геликонов». Гейм отмечал, что предмет исследования был мертв уже за десятилетие до того, как он пришел в докторантуру. Однако он вынес из этого опыта твердое решение никогда не заставлять своих студентов заниматься «зомби-проектами». Позже, в Манчестере, он предложил своему ученику Да Цзяну задачку поинтереснее: отделить от куска графита самый тонкий из возможных слоев. Гейм надеялся, что студент сможет произвести образец настолько тонкий, что его характеристики будут больше похожи на двумерную атомную решетку, которая, как прогнозировалось, имела совершенно другие свойства, нежели обычный графит. Студент приступил 11 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен к полировке графитовой пластины, получив тонкий ломтик графита, но результат все еще был далек от одноатомной толщины с необычными свойствами, которые надеялся исследовать Гейм. Это было довольно смело, потому как большинство теоретиков в то время считали, что создание двумерного кристалла в один атом толщиной просто невозможно: он будет рассыпаться в пыль при попытке отделения от графита. После неудачной попытки первого студента Гейм обратился к идее, предложенной его аспирантом Олегом Шкляревским из Харькова: чтобы получить свежий слой графита, к образцу приклеивали скотч, который потом отрывали и выбрасывали. Разглядев кусок липкой ленты под микроскопом, Гейм обнаружил чешуйки гораздо тоньше, чем получились у студента из Китая. Это выглядело многообещающе. Позже Гейм сказал, что они не изобрели графен, а обнаружили то, что было у всех на виду. К тому времени Константин Новоселов уже был вовлечен в проект, вместе с Геймом он работал над отделением тонких слоев графита, многократно отслаивая их липкой лентой и перенося потом на окисленную кремниевую пластину. Спустя год экспериментов с различными подходами ученым удалось получить слой углерода толщиной в один атом с кристаллической решеткой (рис. 2) как блокированный набор гексагональных бензольных колец, но только с присутствующим углеродом, который оказался бы весьма универсальным. Рис. 2. Кристаллическая решетка графена 12 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» УСПЕШНЫЙ эксперимент Новый материал показал чудесные свойства и вызвал огромный интерес по всему миру. Технический прорыв на основе графена возможен, потому что это самое тонкое вещество в мире может одновременно обладать сразу несколькими очень важными и уникальными свойствами. Во-первых, графен может быть прекрасным проводником, так как состоит из цепей шестиугольников углерода, по которым очень легко передается электрический ток. Во-вторых, Что такое при некотором видоизменении графен может «графен», и почему быть эффективным изолятором. он вскоре Чтобы понять удивительные свойства гра- покорит весь фена, начнем с его атомов и их взаимодействия. мир 13 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ОТ ЧЕТЫРЕХ ЭЛЕМЕНТОВ К АТОМАМ Вернемся на 2500 лет назад. У древних греков было две основные конкурирующие идеи о природе сущего. В V веке до нашей эры философ Эмпедокл из Акраганта высказал идею о четырех стихиях-первоэлементах: земле, воде, огне и воздухе. Аристотель предложил пятый элемент (рис. 3) — квинтэссенцию, или эфир (космология того времени, считающая все над орбитой Луны неизменным и вечным, требовала чего-то более устойчивого, нежели земные элементы). Андрей Следующая идея принадлежала Демокриту Охоцимский. и выросла она из учения Левкиппа. Согласно ей «Эмпедокл и его учение все состоит из атомов — неделимой частицы вео четырех щества, обладающей истинным бытием, не разстихиях» рушающейся и не возникающей. Эта теория называлась атомизм. В целом эти идеи не были противоборствующими, но имели существенные различия в подходе. Атомисты считали, что любое вещество обладает своими специфическими атомами, Квинтхарактерными только для него. Так, атомы дерева эссенция будут отличаться от атомов железа или клубники. А представители идеи четырех элементов отрицали это. Проблема атомов в представлении этой теории была в том, что, если существовали атомы, должно было быть и пустое пространство Атомизм между ними. А Аристотель считал, что природа Левкиппа — Демокрита не может поддерживать существование пустоты или вакуума. В своей «Физике» он отвел четыре главы для доказательства невозможности пустоты: «Никто не сможет сказать, почему тело, приведенное в движение, где-нибудь остановится, ибо почему оно скорее остановится здесь, а не там? Следовательно, ему необходимо или покоиться, или бесконечно двигаться, если только не помешает что-нибудь более сильное». 14 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» От четырех элементов к атомам Рис. 3. Элементы Аристотеля Нетрудно заметить, что Аристотель по сути сформулировал закон инерции, который сейчас называется первым законом механики, только методом от противного: Аристотель утверждает, что если бы существовало бесконечное пустое пространство атомистов, то действовал бы закон инерции. Удивительно, но теория элементов была популярнее в научной среде того времени, чем атомная, потому что она не выдерживала экспериментов. Например, если предположить, что каждое вещество состоит из своих собственных уникальных атомов, то как объяснить переход одного вещества в другое? Поэтому теория пяти элементов Аристотеля лидировала вплоть до времен Ньютона. 15 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ИСТОРИЯ АТОМА В 1800 году было совершено много открытий, раскрывающих природу атома и положивших конец спорам между атомистической идеей и Аристотелевской идеей пяти элементов. Открытия английского химика и физика Джона Дальтона способствовали превращению атомистики из натурфилософской догадки в естественнонаучную теорию. В качестве важнейшего свойства атома Дальтон ввел понятие атомного веса. Приняв Атом. за единицу атомный вес водорода, Дальтон Джон Дальтон рассчитал атомный вес ряда элементов (рис. 4) и составил первую таблицу относительных атомных масс. Дальтон считал, что атомы одного элемента идентичны друг другу. Последний пункт по-прежнему является в значительной степени верным, исключением являются изотопы различных элементов, которые отличаются по числу нейтронов. Однако, так как нейтрон не был обнаружен до 1932 года, мы, вероятно, можем простить Дальтону эту ошибку. Кроме того, Дальтон высказал идею о том, что атомы объединяются, образуя соединения, а также представил первый набор химических символов для известных элементов. Рис. 4. Список элементов по Дальтону 16 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» История атома Представление атомной теории Дальтона стало началом развития современной модели атома. Чуть позже лорд Кельвин предположил, что атомы — это вихревые частицы, вращение которых объясняет их основные свойства, по аналогии с теорией гидродинамических вихрей. Следующий прорыв произошел в конце 1800-х годов, когда английский физик Джозеф Джон Томсон обнаружил, что атом не был столь же неделимым, как заявлялось ранее. Он проводил эксперименты с использованием катодных лучей (электронных пучков), произведенных в разрядной трубке, и обнаружил, что лучи притягиваются положительно заряженными металлическими пластинами, но отталкиваются отрицательно заряженными. Из этого стало понятно, что лучи должны быть заряжены отрицательно. Опыт Изучая частицы в лучах, Томсон смог сдеТомпсона лать вывод о том, что они были в две тысячи раз легче водорода, а также путем изменения металла катода продемонстрировал, что эти частицы присутствовали во многих типах атомов. Таким образом ученый открыл электрон (он называл его «корпускул») и показал, что атомы не являются неделимыми. За это открытие он получил Нобелевскую премию в 1906 году. В 1904 году Томсон представил модель атома на основе своих выводов, она известна как «кекс с изюмом». Данная модель представляла атом как положительно заряженную сферу с электронами, усеянными в сфере, как изюм в кексе (рис. 5). Модель Томсона была вскоре опровергнута его учеником Эрнестом Резерфордом. Рис. 5. Модель атома Томсона («Кекс с изюмом») 17 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Эрнест Резерфорд, физик из Новой Зеландии, обучался у Томсона в Кембриджском университете. Работая в Университете Манчестера, он представил новое представление о модели атома. Его работа была опубликована уже после получения Нобелевской премии в 1908 году за исследования в химии радиоактивных веществ. Резерфорд разработал эксперимент, который помог исследовать атомную структуру. Для этого он стрелял положительно заряженными альфа-частицами в тонкий лист золотой фольги. Альфа-частицы были настолько малы, что проходили сквозь фольгу. В соответствии с моделью Томсона, в которой положительный заряд диффундирует по всему атому, альфа-частицы должны были пройти насквозь листа практически без отклонения. Проводя этот эксперимент, Резерфорд надеялся подтвердить модель своего учителя, однако все оказалось как раз наоборот. В ходе эксперимента большинство альфа-частиц проходило через фольгу практически без отклонения. Тем не менее небольшое количество частиц отклонялось от намеченного пути на очень большой угол. Это было совершенно неожиданно; как заметил сам Резерфорд, «почти так же невероятно, как если бы вы выпустили 15-дюймовый снаряд в папиросную бумагу, а он вернулся бы и ударил бы в вас». Единственным возможным объяснением было то, что положительный заряд не распространялся по всему атому, а был локализован в небольшом плотном центре — ядре. Согласно этому остальную часть атома составляло пустое пространство. Рис. 6 Планетарная модель Резерфорда. 18 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» История атома Открытие Резерфордом ядра означало необходимость переосмысления атомной модели. Он предложил модель (рис. 6), в которой электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра. Однако ученый не нашел объяснения, что же держит электроны, вращающиеся вокруг ядра, почему они не падают на него. Еще одна модель (рис. 7) была представлена датским физиком Нильсом Бором. Так как классическая физика не могла правильно объяснить, что происходит на атомном уровне, он обратился к квантовой теории для объяснения расположения электронов. Его модель постулировала существование энергетических уровней, или электронных оболочек. Электроны могут находиться только на этих энергетических уровнях; иными словами, их энергия квантуется и не может принять какое-либо значение между квантованными уровнями. Электроны могут перемещаться между этими энергетическими уровнями (именуемыми Бором как стационарные состояния), но при условии поглощения или испускания энергии. Предложение Бором стабильных энергетических уровней в некоторой степени решало проблему падения электронов по спирали на ядро. Истинные причины сложнее, они скрыты в сложном мире квантовой механики. Как сказал сам Бор, «Если квантовая механика не потрясла вас до глубины души, то вы просто еще этого не поняли» (вы еще недостаточно хорошо понимаете квантовую механику — игра слов. — Прим. перев.). Модель Бора не решает всех проблем атомной модели. Она хорошо подходит для атомов водорода, но не может объяснить Рис. 7. Атомная модель Бора 19 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Рис. 8. Атомная Модель Шредингера наблюдения за более тяжелыми элементами. Это также нарушает принцип неопределенности Гейзенберга, один из краеугольных камней квантовой механики, в котором говорится, что мы не можем знать точное местоположение и импульс электрона одновременно. Тем не менее, модель атома Бора наиболее широко распространена и известна, что связано с удобством объяснения химической связи и реакционной способности некоторых групп элементов на начальном этапе обучения. Во всяком случае модель все еще требует переработки. На данный момент многие ученые проводили исследования, пытаясь разработать квантовую модель атома. Главным среди них являлся австрийский физик Эрвин Шредингер, которого вы, вероятно, знаете благодаря мысленному эксперименту с котом. В 1926 году Шредингер предположил, что электроны и другие элементарные частицы ведут себя подобно волнам на поверхности океана. С течением времени пик волны (соответствующий месту, в котором скорее всего будет находиться электрон) смещается в пространстве в соответствии с описывающим эту волну уравнением. То есть то, что мы традиционно считали частицей, в квантовом мире ведет себя во многом подобно волне. Шредингер решил ряд математических уравнений для описания модели распределения электрона в атоме. Его модель (рис. 8) демонстрирует ядро, окруженное облаками электронной плотности. Эти облака являются облаками вероятности: хотя мы не знаем точно, где электроны в тот или иной момент 20 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» История атома времени, мы знаем, в каких заданных областях пространства они, вероятно, могут находиться. Эти участки пространства называются электронными орбитами. Становится понятно, почему в средней школе на уроках химии зачастую не приводят эту модель, хотя она считается наиболее точной. В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик, ученик Эрнеста Резерфорда, завершая картину субатомных частиц, определил существование нейтрона. Однако история на этом не заканчивается; физики обнаружили, что протоны и нейтроны, составляющие ядро, сами делятся на частицы, называемые кварками. Во всяком случае, модель атома дает нам отличный пример того, как научные модели могут меняться с течением времени, и показывает, как новые данные могут привести к появлению новых моделей. Философы-натуралисты, оперируя знаниями из атомистической теории и идеи пяти элементов, осознали, что что-то должно обеспечивать различным элементам или атомам соединение друг с другом, создавая сложные комбинации в мире вещей, который мы наблюдаем. Ньютон предпочитал идею существования некоей силы, связывающей составные части в целое. А в 1916 году американский химик Гилбирт Люис выступил с идеей электронной парной связи (ковалентной связи), соединяющей атомы, и определил ее механизм: она образуется между двумя атомами за счет общего электронного облака пары электронов (раньше считалось, что один из связанных атомов несет положительный, другой — отрицательный заряд). В том же году Вальтер Коссель выдвинул теорию, подобную теории Льюиса, только его модель предполагала полную передачу электронов между атомами и, таким образом, модель ионной связи. Как видим, Ньютон оказался прав в своей концепции связующей силы. Доказательство ковалентной связи позволило открыть мир отдельных атомов и молекул, создающих физические объекты и имеющих связи различного рода. Рассмотрим природу связей графена. 21 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ТВЕРДЫЕ ТЕЛА И СВЯЗИ МЕЖДУ НИМИ Очевидно, что твердые тела отличаются друг от друга, даже если состоят из атомов одного вида. Связи между атомами и структуры, создающие эти связи, определяют физические свойства вещества: его вид, его реакцию с другими веществами, его прочность и многое другое. Мы увидим, что структура углерода, формирующего графит, а затем и графен, удивительна. Твердые вещества могут быть кристаллическими или аморфными. В кристаллических веществах атомы и молекулы соединены вместе в постоянно повторяющейся решетке. Такую структуру можно встретить во многих веществах, например, в кристалле соли или металлах. Но у стекла или пластика, как у аморфных веществ, структура будет иной: беспорядочной, без сформированной решетки, с колеблющимся расстоянием между атомами. Однако, в то время как одни атомы или молекулы всегда формируют твердые тела с определенной структурой, у других несколько больше опций. Так, в углероде формы, образующие связи между молекулами, могут иметь ключевое влияние на физические характеристики вещества. Если сравнить молекулу воды и льда, то основное отличие прослеживается в молекулярном строении этих агрегатных состояний воды (жидкого и твердого), в количестве, виде и силе водородных связей между молекулами. Во льду (твердом состоянии) ими объединены пять молекул, и собственно связи прочнее. Сами молекулы веществ воды и льда одинаковы. Но в молекулах льда атом кислорода (для создания криРасположение сталлической решетки) вещества образовывает молекул воды в разных водородные связи с соседними молекулами. агрегатных Вещество воды в разных ее агрегатных сосостояниях стояниях отличает не только структура расположения молекул (молекулярное строение), но и их движение, сила взаимосвязи/притяжения между ними. Молекулы воды в жидком состоянии достаточно слабо притягиваются, обеспечивая текучесть воды. В твердом же льду притяжение молекул наиболее сильно, потому и мала их двигательная активность (она обеспечивает постоянство формы). 22 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Твердые тела и связи между ними Из одних только атомов углерода можно построить десятки различных материалов, от графита до алмаза, от карбина до фуллеренов и нанотрубок. Хотя все они состоят из абсолютно одинаковых атомов углерода, их свойства радикально отличаются, и главную роль в этом играет расположение атомов в материале. Если рассматривать графит, то в его структуре мы увидим, что она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев — сетка из шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек. Отдельные слои соединяются между собой благодаря ван-дер-ваальсовым силам — они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но достаточны, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно. Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее перемещаться перпендикулярно плоскостям, и электрическое сопротивление возрастает в 100 раз. При давлениях в 100 тысяч атмосфер и температуре в 1–2 тысячи градусов Цельсия слои углерода начинают сближаться между собой, между ними возникают химические связи, а когда-то гладкие плоскости становятся гофрироКак делают ванными. Образуется алмаз, одна из самых кра- бриллианты сивых форм углерода. Рис. 9. Кристаллическая решетка алмаза 23 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Свойства алмаза радикально отличаются от свойств графита — это твердый прозрачный материал с занятной кристаллической решеткой (рис. 9). Его чрезвычайно сложно поцарапать (алмаз находится на вершине шкалы твердости Мооса). При этом электропроводность алмаза и графита отличается в квинтиллион раз (это число с 18 нулями). Хотя шестиугольник — одна из самых стабильных конфигураций, которые могут образовывать атомы углерода, есть целый класс компактных объектов, где встречается правильный пятиугольник из углерода. Эти объекты называются фуллеренами. Открытие фуллеренов С60 вызвало большой интерес химиков. Впоследствии был синтезирован необычный класс эндофуллеренов — фуллеренов, в полости которых находился какой-либо посторонний атом или небольшая молекула. К примеру, всего лишь год назад в фулФуллерены: лерен впервые поместили молекулу плавиковой история открытия кислоты, что позволило очень точно определить и свойства ее электронные свойства. Среди недавно открытых форм углерода можно отметить так называемый Q-углерод. Впервые он был синтезирован американскими материаловедами из Университета Северной Каролины в 2015 году. Ученые облучали аморфный углерод с помощью мощного лазера, локально разогревая материал до 4000 градусов Цельсия. В результате примерно четверть всех атомов углерода в веществе принимала sp2-гибридизацию, то есть то же электронное соQ-углерод стояние, что и в графите. Остальные атомы Q-углерода сохраняли гибридизацию, характерную для алмаза. В отличие от алмаза, графита и других форм углерода, Q-углерод оказался ферромагнетиком, таким как магнетит или железо. При этом его температура Кюри составила около 220 градусов Цельсия — только при таком нагреве материал терял свои магнитные свойства. А при допировании Q-углерода бором физики получили еще один углеродный сверхпроводник с температурой перехода уже около 58 кельвинов. Если свернуть небольшой кусочек графенового листа в трубку и склеить ее края, получится полая конструкция, со- 24 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Твердые тела и связи между ними стоящая из тех же самых шестиугольников атомов углерода, что и графен и графит, — углеродная нанотрубка. Этот материал во многом родственен графену — он обладает высокой механической прочностью (когда-то из углеродных нанотрубок предлагали строить лифт в космос), высокой подвижностью электронов. Оказывается, от того, как мы скрутим углеУглеродная родную нанотрубку, будут очень сильно завинанотрубка сеть ее электронные свойства, а именно: будет она больше похожа на полупроводник с запрещенной зоной или на металл. Сейчас, чтобы синтезировать углеродные нанотрубки только конкретного вида (конкретной хиральности), химики предлагают использовать специальные «затравки». Это небольшие молекулы в виде колец, состоящих, в свою очередь, из шестиугольных бензольных колец. С появлением нанотрубок стал актуальным вопрос потенциальной угрозы здоровью. Сам по себе углерод безопасен и нетоксичен, но вдыхание мелких волокон других его форм может вызвать нарушение работы внутренних органов и повысить риск заболевания раком. Вдыхание длинных многослойных углеродных нанотрубок может причинить такой же вред здоровью, как вдыхание асбеста. Особенно опасными могут быть многослойные нанотрубки, составленные из нескольких цилиндрических слоев, потому что такие структуры особенно хорошо сохраняют свою форму и острые края. У нас уже есть понимание уникальности ультратонких материалов на атомном уровне, но, чтобы продвинуться в понимании этого вопроса, стоит окунуться в квантовый мир. В нем такие частицы, как атомы и электроны, ведут себя другим образом, и именно квантовые свойства наделяют графен и другие ультратонкие материалы множеством качеств суперматериала. 25 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» КВАНТОВАЯ РЕАЛЬНОСТЬ Чтобы понять такие удивительные свойства графена, как прочность в связи с его особой решетчатой структурой, достаточно знать законы традиционной физики. Но чтобы оценить его значение для будущего электроники, мы должны обладать базовыми знаниями из квантовой физики. Это один из наиболее существенных ее аспектов, тем не менее, большинство разбирается в этом очень слабо. До начала XX века большинство объектов природы считались сплошными. Но оказалось, что это не совсем так. Например, луч света на самом деле раздроблен, квантован и состоит из крошечных кусочков, или квантов. Эти кусочки называются фотонами в случае со светом. Фотон настолько мал, что не имеет массы, и способен существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света. Понятию кванта мы обязаны Максу Планку, немецкому ученому, который первым решил, что свет разбит таким образом. В то время все считали свет волной, но ему эта идея не понравилась. Оглядываясь назад в старости, он сказал: «Вкратце то, что я сделал, можно охарактеризовать как акт безрассудства». Макс Планк2 считал кванты просто удобным инструментом расчета, но Альберт Эйнштейн3 продемонстрировал, что они действительно существуют. Это не значит, что волновая теория света была всецело неверной. Свет часто проявляет себя как волна, но бывают случаи, когда его можно рассматривать только как совокупность квантов-фотонов. В то время ученые уже знали, что квантовая реальность имеет место. Само существование квантовых частиц не было сюрпризом для ученых. Их потрясло другое: частицы отказывались себя вести так, как от них ожидали. Альберт Эйнштейн годами ставил эксперименты, которые, как он надеялся, должны были опровергнуть квантовую теорию, но все его опыты оказались неэффективными. Отношения Эйнштейна с квантовой механикой является прекрасной иллюстрацией битвы его личных склонностей с модными на то время научными тенденциями. Эйнштейн сыграл ключевую роль в истории ее зарождения и вместе с тем потратил массу вре- 26 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Квантовая реальность мени, чтобы наделать в ней как можно больше «дыр». Зачем? Просто в то время Эйнштейн жаждал устойчивых законов, объясняющих реальное устройство Вселенной, а квантовая теория с ее принципом неопределенности этого обеспечить не могла. Напротив, она демонстрировала, что миром правят неопределенности, и никакой объективной реальности не существует. Как возражение против этого, Эйнштейн произнес: «Бог не играет в кости». Три квантовые возможности Выяснилось, что миром правит не определенность, а вероятность. То есть аномалии движения частиц не невозможны, но маловероятны. В мире людей маловероятные вещи, как правило, не случаются, но в мире квантовых частиц это возможно. Вероятно, момент Большого взрыва был удивительным квантовым переходом вещества из одного в другое. Один из самых известных аспектов квантовой механики — принцип неопределенности Гейзенберга. Он утверждает, что невозможно одновременно определить положение частицы и ее импульс с бесконечной точностью. Но это не значит, что «все является неопределенным», наоборот, этот принцип описывает ряд точных отношений. Так, он утверждает, что любая квантовая частица обладает парой свойств, связанной с ней таким образом, что чем более точно мы знаем одно значение, тем менее определенно для нас другое. Что такое Например, чем более точно нам известно распопринцип неопределожение квантовых частиц, тем менее точно мы ленности можем определить его импульс. Одновременно Гейзенберга знать точное значение обоих невозможно. Квантовое поведение прекрасно демонстрирует уравнение4 Эрвина Шредингера5. Оно описывает, как квантовая частица меняется с течением времени. Когда только уравнение было выработано, оно внесло большую путаницу, т. к. предполагалось, что оно касается расположения частицы. В то же время Макс Борн осознал, что уравнение не описывает непосредственно расположение частицы, но, скорее, вероятность нахождения частицы в определенном местоположении. А со временем — спектр возможных мест, где частицы могут быть распространены через пространство. 27 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Его уравнение было попыткой примирить представления классической физики с новыми законами квантового мира. Это привело к радикально другому взгляду на обычную концепцию квантовых частиц. Частица не находится в разных местах одновременно, как это описывают в некоторых источниках. У нее вообще нет никакого расположения. Только в том случае, когда частица взаимодействует с чем-то еще на одном из ее возможных мест, это имеет место. Мы можем вычислить вероятность любого конкретного местоположения, где мы можем найти частицу, но до тех пор, пока она не взаимодействует с окружением, мы понятия не имеем, которое из возможных мест окажется правильным. Такая непостоянная природа квантовых частиц разрешает еще одну квантовую странность: квантовое туннелированние. Именно оно регулярно проявляется в электронике и будет иметь решающее значение для использования графена. Что такое Без квантового туннелирования мы даже квантовое туннелироне смогли бы существовать, потому как оно невание? обходимо, чтобы заставить Солнце работать. Наше Солнце производит энергию, необходимую для жизни на Земле, с помощью ядерного синтеза. Ядра атомов водорода соединяются вместе для производства более тяжелого элемента гелия. Внутри звезд, в том числе и Солнца, ядра водорода сжаты вместе под огромной температурой и давлеКак нием, но этого недостаточно, чтобы их сплавить, работает Солнце потому как они положительно заряжены, и электрическое отталкивание между ядрами не позволяет им приблизиться к процессу синтеза. (Это потому, что ядра водорода являются квантовыми частицами и могут проложить туннель через барьер, образованный электромагнитным отталкиванием, с помощью чего Солнце может функционировать.) Когда мы говорим о причудливых свойствах графена, нам нужно получить квантовый взгляд на то, что случится с электронами, являющимися частью атома. Для этого давайте вернемся в Манчестер 1912 года к молодому Нильсу Бору, только прибывшему в новую лабораторию. 28 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Квантовая реальность Атом Бора Весной 1911 года Нильс Бор6 защитил диссертацию в Копенгагенском университете. Работа касалась теории движения электронов в металлах. Бору недавно исполнилось двадцать пять лет, и он стремился достичь весомых успехов в науке. Бор в то время «был глубоко захвачен томсоновскими оригинальными мыслями об электронной структуре атомов», и потому работа в Кавендишской лаборатории казалась ему особо привлекательной. Там Бор и познакомился с Резерфордом7. А уже в марте 1912 года перебрался к нему в Манчестер. Бор поверил в атомную модель Резерфорда. Вот что он вспоминал впоследствии: «…весной 1912 года я пришел к убеждению, что электронное строение атома Резерфорда управляется с помощью кванта действия». Вот ход его рассуждений. Диаметр атома составляет около одной стомиллионной доли сантиметра. В нем имеются электрические заряды определенной величины, их носителями служат тела определенной массы. Как, имея это в виду, объяснить размер атома? Заряды и массы не позволяют вывести величину, имеющую размерность длины. Значит, либо существуют некие иные силы, действующие на расстоянии атомного радиуса (но они неизвестны), либо должны играть роль характерные константы, позволяющие вместе с зарядом и массой получить величину размерности длины. Такой константой могла быть только постоянная Планка8. Так Бор ввел кванты в теорию атома. Свою теорию он изложил в статье «О строении атомов и молекул» 5 апреля 1913 года. В ней содержались два основных постулата. Согласно первому в атоме существуют «разрешенные» стационарные орбиты. Двигаясь по ним, электрон не излучает энергии. В соответствии с другим он может «перескочить» на более близкую к ядру стационарную орбиту. При этом испускается квант энергии. Последующие несколько лет Бор посвятил детальной разработке квантовой теории атома. Однако теория не была лишена противоречий. В самом деле: представление о стационарных орбитах электронов опиралось на планковскую теорию, а расчет этих орбит основывался на методах классической механики и электродинамики. Не без юмора заметил в свое время Генри 29 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Брэгг: в теории Бора мы «как бы должны по понедельникам, средам и пятницам пользоваться классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам — квантовыми». С точки зрения классической физики эта модель имеет противоречия. Дело в том, что, согласно законам электродинамики, вращаясь, электроны должны непрерывно и быстро излучать энергию. А раз так, то их энергия также должна быстро уменьшаться, а со временем и вообще кончиться. И тогда электроны должны были упасть на ядро. Такой атом просуществовал бы очень короткое время. Кроме того, по мере приближения электрона к ядру частота излучения менялась бы, а спектр излучения был бы непрерывным. В действительности же этого не происходит. Все электроны продолжают вращаться. И спектры атомов на самом деле линейные, так как атомы разных веществ излучают свет определенной частоты. Следовательно, законы классической физики здесь не действуют. Нильс Бор дал свое объяснение этому процессу. Взяв за основу модель атома Резерфорда, он предположил, что электроны в атоме двигаются только по стационарным орбитам. В каждом атоме существует несколько таких орбит. Каждой из них соответствует свой номер n = 1, 2, 3… Причем чем ближе к атому расположена орбита, тем меньшей энергией обладает электрон. Находясь на таких орбитах, электроны не излучают и не поглощают энергию. Полная энергия атома равна Еn. Излучение энергии происходит, когда электрон скачкообразно переходит с одной орбиты на другую. Она передается порциями, которые называются квантами. Квант — неделимая величина. Идею Бора можно выразить следующими словами. Атом ни в коей мере не похож на классическую механическую систему, которая может поглощать энергию сколь угодно малыми порциями. Из факта существования узких спектральных линий поглощения и излучения, с одной стороны, и из гипотезы световых квантов Эйнштейна, с другой, следует, скорее, тот вывод, что атом может находиться в только в определенных дискретных стационарных состояниях с энергиями E0, E1, E2… Отсюда следует, что атом может поглощать лишь излучение таких частот ν, что hν равно как раз той порции энергии, которая нужна для перевода атома из одного стационарного состояния в другое, более высокое. Поэтому линии поглощения определя- 30 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Квантовая реальность ются уравнениями E1 − E0 = hν, E2 − E0 = hν…, где E0 — энергия самого низкого состояния, которое характерно для атома в отсутствии каких-либо возбуждающих влияний. Если по какой-то причине атом возбуждается, т. е. переходит в состояние с энергией En > E0, то он может вернуть эту энергию в виде излучения. Следовательно, он может испустить любые световые кванты, энергия которых равна разности энергий каких-то стационарных состояний. Поэтому линия излучения определяется уравнением En − Em = hνnm. Коль скоро гипотеза Бора соответствует действительности, то возбужденный атом может возвращаться в основное состояние различными путями, отдавая каждый раз избыток энергии излучаемым квантам. 31 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ОРБИТАЛИ В твердом теле, которое будет использоваться в электронном устройстве, возможные орбитали вокруг различных атомов будут взаимодействовать по мере их, орбиталей, перекрытия. Давайте рассмотрим на примере, к чему это приведет. Если у нас есть 1000 атомов в решетке графена, каждый атом углерода будет иметь 1000 разных возможных орбиталей для каждого оригинального из них. На практике мы получим миллиарды атомов, и они будут настолько плотно расположены друг к другу, что могут считаться непрерывной группой. Валентные орбитали атомов в кристаллической решетке смешиваются, образуя два набора энергетических уровней — валентную зону и зону проводимости. Электроны в частично заполненной зоне проводимости могут легко перемещаться по всему кристаллу. Как мы знаем из модели атома Бора, электроны в атоме расположены на различных орбитальных уровнях, характеризующихся различной удаленностью от ядра и, соответственно, различной энергией связи электрона с ядром. При образовании кристаллической решетки твердого тела орбиты электронов несколько деформируются, и, соответственно, смещаются энергетические уровни удержания электронов на них. Это смещение можно представить себе двояко. С одной стороны, можно заметить, что в твердом теле электрон не может не подвергаться электрическому воздействию со стороны соседних атомов — он притягивается к их ядрам и отталкивается их электронами. С другой стороны, два электрона, в силу принципа запрета Паули, не могут находиться на одной орбите в одном и том же энергетическом состоянии, то есть два любых электрона в любом случае находятся на несколько отличающихся друг от друга энергетических уровнях. В любом случае можно понять, что при образовании твердого тела в смысле кристаллизации атомов в жесткую структуру каждый энергетический электронный уровень в атомах расщепляется на ряд близких подуровней, объединенных в энергетическую полосу, или зону. Все электроны, находящиеся в данной энергетической полосе, обладают очень близкими энергиями. 32 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Орбитали На близких к ядру орбитах электроны находятся в связанном состоянии: они не способны оторваться от ядра, поскольку, хотя теоретически перескок электрона из одного атома в другой — на ту же по энергии орбиту — возможен, все нижние орбиты соседних атомов заняты, и реальная миграция электронов между ними невозможна. Поэтому самой важной с точки зрения теории электрической проводимости является валентная зона — размытый на подуровни внешний слой электронной оболочки атомов, который у большинства веществ не заполнен (исключение — инертные газы, но они кристаллизуются лишь при сверхнизких температурах). Поскольку внешний слой не насыщен электронами, в нем всегда имеются свободные подуровни, которые могут занять электроны из внешней оболочки соседних атомов. И электроны действительно проявляют удивительную подвижность, хаотично мигрируя от атома к атому в пределах валентной зоны, а в присутствии внешней разности электрических потенциалов они дружно «маршируют» в одном направлении, и мы наблюдаем электрический ток. Именно поэтому нижний слой, в котором имеются свободно перемещающиеся электроны, принято называть зоной проводимости — причем это даже не обязательно самый верхний (валентный) орбитальный слой электронов в атоме. Пока мы все еще не обладаем достаточными знаниями о квантовой теории, чтобы объяснить, почему графен наделен экстраординарными свойствами как проводник. Для этого нужно рассмотреть море Дирака. 33 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ДИРАК И ЕГО МОРЕ Уроженец Бристоля Поль Дирак, возможно, менее хорошо известен среди великих физиков, хотя его вклад в квантовую теорию очень важен. Две великих теории XX века — теория относительности и квантовая механика — около двух десятков лет развивались параллельно, но независимо, хотя становилось очевидным, что их объединение необходимо и неизбежно. Фактически, оно началось уже на заре возникновения квантовой теории: ведь слово «квант» было впервые произнесено Максом Планком применительно к электромагнитному излучению, а оно является «исконно релятивистским объектом». Но когда возникала квантовая теория атома, когда объектом рассмотрения стал электрон, казалось, что для его описания достаточно «нерелятивистского» волнового уравнения. Это уравнение, предложенное Эрвином Шредингером, сопровождается эпитетом «нерелятивистское» по той причине, что его вид остается неизменным лишь при «нерелятивистских» преобразованиях Галилея для координат и времени, но меняется, если использовать «релятивистские» преобразования Лоренца. К уравнению Шредингера можно подойти, используя выражение для полной энергии как суммы кинетической и потенциальной энергии и подставляя для входящих в их выражения координат и импульсов подлежащие операторы. Но в релятивистской теории выражение для энергии меняется: у свободной частицы она пропорциональна квадратному корню из суммы квадрата импульса и квадрата массы покоя (умноженного на четвертую степень скорости света). Квадратный же корень, как известно, имеет два знака. Учитывая это обстоятельство и использовав для «извлечения корня» изощренный математический «матричный» метод, Дирак пришел к знаменитому уравнению, носящему его имя. Это уравнение было опубликовано в работе, вышедшей 1 февраля 1928 года. Впоследствии сам автор писал: «Я обнаружил из этого уравнения, что электрон обладает спином, равным 1 / 2, и магнитным моментом, и что значение спина и магнитного момента согласуется с экспериментальными. Полученный результат был 34 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Дирак и его море совершенно неожиданным… Я считал, что простейшее решение получится для частицы без спина, а уже затем нужно будет ввести спин…» Но не менее примечательным было и следующее: ведь квадратный корень имеет два знака, и получалось, что кроме состояний с положительной имеются и состояния с отрицательной энергией. На уровни с отрицательной энергией и должны бы были «проваливаться» все электроны, даже если сначала их энергии были положительны. Возникало, казалось бы, непреодолимое затруднение. Но и здесь Дирак выдвинул идею, которая не только устраняла затруднение, но и открывала плодотворнейшие перспективы. Идея эта может показаться теперь весьма простой и почти очевидной: достаточно принять, что все уровни с отрицательной энергией заняты, и тогда, согласно принципу Паули, больше ни один электрон не способен на них «поместиться». Таким образом возникает удивительный новый образ: вакуум — это вовсе не «пустое место», не состояние с нулевым числом электронов, а, наоборот, «море» из бесконечного числа электронов, но только эти электроны мы не замечаем, т. к. их энергии отрицательны. Однако это вовсе не означает, что «море» принципиально наблюдаемо: если какому-то из находящихся в нем электронов, например, от g-кванта, сообщается энергия, достаточная, чтобы перевести его в состояние с положительной энергией, то происходит то, что называют «рождением пары»: появляется электрон с положительной энергией, а на его месте, на уровне с отрицательной энергией, возникает «дырка». Во внешнем электрическом поле (и в магнитном также) она ведет себя как частица с такой же массой, как и у электрона, но с электрическим зарядом противоположного знака (классическим аналогом этого можно назвать пузырек в жидкости, который в поле тяготения движется не вниз, а вверх). Таким образом, теория привела к предсказанию «античастицы» электрона. Эту частицу, названную позитроном, действительно вскоре обнаружил на опыте Карл Дэвид Андерсон. Теперь представление об античастицах — «партнерах-двойниках» всех частиц — прочно вошло в физику. Одно время казалось, что возможные отрицательные решения для уравнения просто игнорируются. Дирак провел много 35 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен времени в борьбе с проблемой отрицательной энергии. Ему не удалось решить ее полностью, но он доказал, что она имеет место (до этого она полностью игнорировалась). Дирак представил, что каждый уровень отрицательной энергии, который может быть занят электроном, был уже переполнен электронами. Это означало, что в космосе есть бесконечное море позиций отрицательной энергии электронов, каждая из которых была занята электроном. Таким образом «реальные» электроны, которые мы можем наблюдать, обладают положительной энергией, потому как все отрицательные уровни уже были заполнены, и принцип исключения Паули требует, чтобы два электрона не могли иметь одни и те же свойства, включая их уровень энергии. Дирак обратил внимание на то, что нереальные частицы с отрицательной энергией возникают из своих положительных «антиблизнецов». Используя результаты экспериментов швейцарского ученого Паули, Дирак сделал потрясающий вывод: «Этот океан (физический вакуум) заполнен электронами без предела для величины отрицательной энергии, и поэтому нет ничего похожего на дно в этом Антиэлектронном океане». Сравнение с океаном материя (или морем) оказалось удачным. Вакуум нереди квантовая теория отно- ко называют «морем Дирака». Мы не наблюдасительности ем электронов с отрицательной энергией именно потому, что они образуют сплошной невидимый фон, на котором происходят все мировые события. Чтобы лучше понять это положение, рассмотрим аналогию. Человеческий глаз видит только то, что движется относительно него. Очертания неподвижных предметов мы различаем только потому, что человеческий зрачок сам постоянно движется, а многие животные (например, лягушка), не обладающие таким аппаратом зрения, способны, не двигаясь, видеть только движущиеся предметы. Все мы, живущие в «море Дирака», оказываемся по отношению к нему в положении лягушки, застывшей на берегу пруда в ожидании неосторожного насекомого. Летящее насекомое она увидит и не шелохнувшись, а пруд в безветренную погоду без бегущей по воде ряби для нее невидим. Так и для нас: фо- 36 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Дирак и его море новые электроны мы не видим, а в роли насекомого выступают редкие по сравнению с фоновыми электронами частицы с положительной энергией. Океан невидим только до тех пор, пока на него не подействуют определенным образом. Когда же в «море Дирака» попадает, скажем, богатый энергией световой квант — фотон, то он при определенных условиях заставляет «море» выдать себя, выбивая из него один из многочисленных электронов с отрицательной энергией. И, как утверждает теория, родятся сразу две частицы, которые можно будет обнаружить экспериментально: электрон с положительной энергией и отрицательным электрическим зарядом и антиэлектрон тоже с положительной энергией, но еще и с положительным зарядом. Теперь уже доказано, что для каждой элементарной частицы в нашем мире существует и античастица. Квантовая теория дает нам все необходимое, чтобы разобраться, что же происходит внутри куска графена, и сделать возможным производить микрочипы, необходимые для компьютеров, телефонов и электронных девайсов. Однако мы еще должны разобраться, каким образом ультратонкий материал графен может быть использован в работе устройств. 37 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ЭЛЕКТРОННЫE КОМПОНЕНТЫ Для работы практически всех электронных механизмов главными являются диод и транзистор. Есть еще и другие компоненты, например, конденсатор или резистор, но главными все же являются первые. Диод позволяет электрическому току течь в нужном направлении. Существует множество способов производства диодов, а самый простой из них — соединение двух разных типов полупроводниковых материалов. Одна из сторон простого диода называется полупроводником «р-типа». Она легирована с другим материалом, таким как бор. В итоге он имеет больше зазоров в своей валентной зоне, чем в полупроводнике. Эти пробелы, известные как «дыры» в море Дирака, действуют так, как если бы они были положительно заряженными частицами. С другой стороны диода находится полупроводник «n-типа». Он в свою очередь легирован с другим материалом, например, таким, как фосфор. Полупроводник n-типа имеет относительно небольшое количество дыр в своей валентной зоне, но намного больше свободных электронов в зоне проводимости. P-N переход в состоянии покоя Даже если P-N переход, в данном случае диод, никуда не подключен, все равно внутри него происходят интересные физические процессы, которые показаны на рис. 10. Рис. 10. Диод в состоянии покоя 38 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Электронныe компоненты В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает крошечное количество тока. В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, подобно тому как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), поэтому рано или поздно электроны возвращаются обратно в зону N. Для диода направление тока играет огромную роль. Основная функция диода — проводить ток в одном направлении. Именно это свойство и обеспечивается P-N переходом. Если к полупроводниковому диоду подключить источник питания, как показано на рис. 11, то ток через P-N переход не пройдет. Рис. 11. Обратное включение диода Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P — отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным 39 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, как видно на рисунке, образуется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда. Включение диода в прямом направлении показано на рис. 12. Рис. 12. Прямое включение диода Если изменить полярность включения источника: минус подключить к области N (катоду), а плюс — к области P (аноду), то при таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг другу. Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диод идет ток. Этот ток называется прямым. Он ограничивается техническими данными диода, некоторым максимальным значением. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя. Следует, однако, заметить, что направление прямого тока на рисунке совпадает с общепринятым, обратным движению электронов. Простейшая форма транзистора не отличается от диода, но имеет дополнительное соединение с центральной частью ма- 40 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Электронныe компоненты териала, который зажат между двумя внешними секциями. Давайте разберемся наглядно, как же работает транзистор. В случае полевого транзистора у нас есть электрическое поле, генерируемое затвором, которое позволяет ему управлять потоком через устройство. В случае графена, как мы увидим, этот эффект поля очень выражен, что делает его полезным для создания усиливающих полевых Как транзисторов. Однако трудность в том, чтобы работает заставить его прекратить проведение. Таким об- транзистор разом могло бы показаться, что в одиночку графен не подходит для переключения транзистора, но существует целый ряд способов. На языке физических терминов компьютерный чип содержит сложную схему, обычно создаваемую на основе кремниевой пластины, но в логических терминах он состоит из затворов. Это части цепи, которые представляют логическую операцию и обычно описываются с помощью терминов Булевой алгебры. Булева алгебра названа в честь Джорджа Буля, английского математика XIX века. Она довольно проста. Существуют высказывания (логические выражения), которые, с точки зрения математики, можно определить только двумя Законы алгебры словами: «истина» или «ложь». Ее постулаты логики используются в программировании. В современном компьютере весь блок памяти или процессор объединены на одном чипе со слоями полупроводников, изоляторов и проводников, заменяющих отдельные компоненты. Чтобы заставить графен и другие ультратонкие материалы производить улучшенный вариант таких же схем, необходимо учитывать их свойства, например, чрезвычайно высокую проводимость. Но сначала графен нужно было произвести, что долго считалось невозможным, пока на сцену не вышли Андрей Гейм и Константин Новоселов. 41 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» НОВЫЙ МАТЕРИАЛ Как нам уже известно, Андрей Гейм и Константин Новоселов переехали в Манчестер из Нидерландов. Гейм сделал такой выбор, потому что ему импонировала британская система, где был предложен долгосрочный контракт. Большое значение сыграл и тот факт, что его жене Ирине Григорьевой также предложили достойную позицию. Она уже имела докторскую степень в Бристоле, что в постсоветских странах соответствует степени кандидата наук. Несмотря на это в Неймегене (Нидерланды) ей была предложена лишь скромная роль лаборанта на неполный рабочий день. К счастью, ученый совет в Манчестере был знаком с ее бристольскими достижениями, и сейчас она общепризнанный физик. Гейм и Новоселов впервые работали вместе в Нидерландах, но у каждого был свой собственный путь из России. Андрей Гейм родился в Сочи, на тот момент части СССР. Первые годы жизни он воспитывался бабушкой. Члены его семьи подвергались гонениям из-за немецких корней и были признаны потенциальными врагами народа. Несмотря на то что со времен Второй мировой прошло более десятилетия, жестокий лидер Германии еще не был забыт. Наука всегда была страстью Гейма. Еще будучи мальчиком, он выиграл региональную олимпиаду по химии, чудесным образом проявив себя как в теоретической, так и в экспериментальной части. В 1965 году его семья переехала в город Нальчик, где он учился в школе, специализировавшейся на английском языке. Окончив ее с отличием, он дважды попытался поступить в МИФИ, но принят не был. После этого Гейм какое-то время проработал с отцом на фабрике, чтобы иметь средства на оплату занятий физикой и математикой и поступать во второй раз. Но ему опять было отказано из-за его немецко-еврейской фамилии. Тогда он подал документы в МФТИ, где дискриминация оказалась меньше, и на этот раз ему удалось поступить. МФТИ был основан после Второй мировой войны советскими учеными, ведомыми идеей уйти от массовых методов обучения, широко используемых на всей территории СССР. Здесь каждому студенту обеспечивалась индивидуальная про- 42 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Новый материал грамма обучения, но вместе с тем студенты трудились очень напряженно — давление было настолько сильным, что нередко люди ломались и оставляли учебу, а некоторые заканчивали психическими расстройствами. Андрей Гейм получил диплом в 1982 году, а в 1987-м стал кандидатом наук в области физики металлов Института физики твердого тела РАН в Черноголовке. Гейм работал научным сотрудником Института технологий микроэлектроники в РАН, а с 1990 года — в университетах Ноттингема (дважды), Бата и Копенгагена. По его словам, за рубежом он мог заниматься исследованиями, а не иметь дела с политикой, потому и решил покинуть СССР. Свою первую штатную должность Андрей Гейм занял в 1994 году, когда стал доцентом университета Неймегена, где занимался мезоскопической сверхпроводимостью. Позже он получил голландское гражданство. Одним из его аспирантов был Константин Новоселов, который стал и главным научным партнером. Тем не менее, по словам Гейма, его академическая карьера в Нидерландах была далеко не безоблачной. Ему предлагали профессуру в Неймегене и Эйндховене, но он отказался, так как нашел голландскую академическую систему слишком иерархической и исполненной мелкого политиканства, она совершенно не похожа на британскую, где каждый сотрудник является равноправным. Позже в своей Нобелевской лекции Гейм сказал, что такая ситуация была немного сюрреалистичной, так как вне стен университета его тепло встречали везде, в том числе научный руководитель и другие ученые. В 2001 году Гейм стал профессором физики в университете Манчестера, а в 2002-м был назначен директором Манчестерского центра мезонауки и нанотехнологий и профессором Лэнгуорти. Жена и давний его соавтор Ирина Григорьева также переехала в Манчестер в качестве преподавателя. Позже к ним присоединился Константин Новоселов. Константин Новоселов родился в Нижнем Тагиле, индустриальном городе с развитой железнодорожной промышленностью и военной инженерией. Учась в шестом классе, он занял первое место в областной олимпиаде по физике, а чуть позже вошел в десятку сильнейших на Всесоюзной олимпиаде школьников СССР. В 1988–1991 годах параллельно с основной 43 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен общеобразовательной школой он обучался в заочной физико-технической. В 1997 году Новоселов с отличием окончил МФТИ, факультет физической и квантовой электроники по специализации «Наноэлектроника», после чего два года работал в Черноголовке, в Институте проблем технологии микроэлектроники РАН. В 1999 году Новоселов эмигрировал в Нидерланды, где вместе с Андреем Геймом стал работать в Университете Неймегена. В 2001 году вместе с Геймом перешел на работу в Манчестерский университет. В 2003 году защитил диссертацию на степень доктора философии. Позже Новоселов переехал с Геймом в Манчестер, чтобы присоединиться к увлекательной игре, результатом которой стало создание графена. Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ОТ ОТКРЫТИЯ ДО НОБЕЛЯ С открытием метода липкой ленты стало ясно, что произошел существенный сдвиг в исследовании, но это не означало, что Гейм и Новоселов прямиком отправятся за Нобелевской премией лишь из-за того, что эксперимент вышел удачным. Впереди предстояло еще много работы. Оглядываясь на первый год исследований, Новоселов назвал его временем непрерывных волнений. Для науки естественны долгие паузы, когда ничего не происходит, но этот год оказался интенсивным. Константин Новоселов говорил: «В стандартном исследовании новые результаты и эксперименты происходят еженедельно или ежедневно, в нашем же случае это происходило каждый час». Графен открыл очень много новых возможностей, и пища для исследований появлялась постоянно. А после публикации в 2004 году первой статьи ученых в Манчестере интерес во всем мире к этому чудесному материалу усилился. Присуждение Нобелевской премии по физике оставалось вопросом времени, что и произошло в 2010 году. Графен вызвал интерес по многим причинам, и главной была его толщина в один атом. Нет никакого способа сделать что-то более тонкое, следующий этап удаления среза уже не является атомом. Это означает, что он обладает некоторыми свойствами двумерных объектов и ведет себя так, как его трехмерный аналог графит не способен. Что мы знаем о Нобелевской премии? Незадолго до смерти известный оружейный магнат Альфред Нобель написал завещание, согласно которому все его имущество передавалось специальному фонду. Эта организация должна была вести отбор кандидатов и ежегодно вручать крупные денежные премии тем, «кто принес наибольшую пользу человечеству», сделав значимое открытие в области физики, химии, а также физиологии или медицины. Кроме того, премии присуждались создателю самого выдающегося произведения в области литературы, а также за вклад в сплочение наций, снижение численности вооруженных сил и «содействие проведению мирных конгрессов». В своем завещании Нобель отдельным пунктом 45 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен потребовал, чтобы при выдвижении кандидатов не учитывали их национальность, так как не хотел, чтобы его премия была политизирована. В первый раз Нобелевская церемония награждения состоялась в 1901 году. В течение следующего десятилетия ее лауреатами уже стали такие выдающиеся физики, как Вильгельм Рентген, Хендрик Лоренц, Питер Зееман, Антуан Беккерель, Пьер Кюри, Мария Кюри, Джон Уильям Стретт, Филипп Ленард, Джозеф Джон Томсон, Альберт Абрахам Майкельсон, Габриэль Липпман, Гульельмо Маркони, Карл Браун, Альберт Эйнштейн. Нобелевская премия известна как окончательная отметка превосходства в дисциплине, за которую она присуждается, хотя многие величайшие ученые так и не выиграли Нобеля. Впервые ею был награжден немецкий физик Вильгельм Рентген в 1901 за открытие чудесных лучей, названных впоследствии в его честь. Процесс отбора для Нобеля не исключает человеческий фактор и потому не лишен странностей. Например, в 1912 году премия была выиграна шведским ученым Густавом Даленом за создание улучшенного газового регулятора для маяков в то время, когда маяки переходили на электричество. В истории Нобеля бывали курьезы, когда величайшие ученые по нескольку лет не удостаивались награды. Например, Альберт Эйнштейн впервые был номинирован в 1910 году, но Нобелевский комитет отклонил кандидатуру, отметив, что следует дождаться более явного экспериментального подтверждения теории относительности. В течение следующих 10 лет Альберта Эйнштейна на Нобелевскую премию номинировали практически ежегодно, за исключением 1911 и 1915 годов. При этом всегда в качестве работы, которая была достойна такой престижной награды, указывалась теория относительности. Именно это обстоятельство стало причиной того, что даже современники часто недоумевали, сколько же Нобелевских премий получил Эйнштейн. …К несчастью трое из пяти членов Нобелевского комитета представляли шведский Уппсальский университет, известный своей мощной школой, ученые которой достигли больших успехов в деле усовершенствования измерительных приборов и экспериментальной техники. Они крайне подозрительно относились к чистым теоретикам. 46 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» От открытия до Нобеля В 1919 году кандидатуру Эйнштейна выдвинули для награды семеро ученых, включая Лоренца. Однако в дело вмешалась политика, и премия была вручена Шарлю Гийому. Но споры продолжались, и было ясно, что мировая общественность останется недоумевать, если ученому не вручат заслуженной награды. В 1921 году число ученых, предложивших кандидатуру создателя теории относительности, было уже критическим. За Эйнштейна высказалось 14 человек, которые официально имели право выдвигать претендентов. Но Нобелевский комитет поручил выступить с докладом о ценности теории относительности лауреату в области медицины 1911 года Альвару Гульстранду. Этот ученый, будучи профессором офтальмологии университета Уппсалы, резко и безграмотно раскритиковал Эйнштейна. В частности, он утверждал, что изгибание светового луча нельзя считать истинной проверкой теории Альберта Эйнштейна. Он также призвал не считать доказательством наблюдения, сделанные относительно орбит Меркурия. Кроме того, его особенно возмутил факт, что длина измерительной линейки может меняться в зависимости от того, движется или нет наблюдатель, и с какой скоростью он это делает. В результате премия Эйнштейну в 1921 году не была присуждена — Нобелевский комитет решил никого не награждать. Сохранить лицо Нобелевскому комитету помог физик-теоретик Карл Вильгельм Озеен из университета в Уппсале. Он предложил присудить Нобеля «за открытие закона фотоэлектрического эффекта», Озеен также посоветовал членам комитета, чтобы в ходе 22-й церемонии был награжден не только Эйнштейн. Нобелевская премия в год, предшествовавший 1921-му, не вручалась, поэтому стало возможно отметить заслуги сразу двух ученых. Вторым лауреатом стал Нильс Бор. Эйнштейн пропустил официальную церемонию вручения Нобелевской премии. Свою речь он произнес позже, она была посвящена теории относительности. Но вернемся к Гейму с Новоселовым. Анкеты для выдвижения кандидатов были разосланы в сентябре 2009 года по всему миру примерно 3000 профессорам, около 300 человек могли быть номинированы до февраля 2010 года. После консультаций с рядом потенциальных кандидатов Нобелевский комитет должен был опубликовать отчет 47 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен с кратким списком в течение лета, а победители были бы выбраны из окончательных кандидатов большинством голосов в октябре 2010 года. Когда в Стокгольме были объявлены имена лауреатов, Андрей Гейм, с которым установили связь по телефону, заявил, что не ожидал получения премии и хотел бы не нарушать свой распорядок из-за этой новости. Один из его сотрудников рассказал, что после объявления Гейм выпил бокал шампанского, произнес речь, соответствующую случаю, и заперся в своем кабинете, объявив, что ему нужно Андрей поработать. Гейм — Нобелевская Графен — необычайно тонкий материал, премия самый тонкий материал во Вселенной. Если гопо физике ворить предметно, то толщина графена в 60 раз 2010 года меньше, чем самый мельчайший из известных вирусов; в 3000 раз тоньше бактерии и в 300 000 раз тоньше листа бумаги. В то же время это необычайно прочный материал. Исследователи из Колумбийского Университета Джеффри Кайсар и Джеймс Хоун сумели произвести измерения прочности материала на атомарном уровне, и выяснили, что графен превосходит по этому показателю все известные науке вещества. 48 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» НАГЛЯДНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ Как нам уже известно, синтез графена ученые осуществили с помощью обычной липкой ленты. Они раз за разом наклеивали скотч на поверхность пластинки пиролитического графита, а затем отклеивали, повторяя процедуру до тех пор, пока графит не станет совсем тонким. После манипуляций со скотчем графит переносился на подложку из окисленного кремния. Так как каждый раз клейкая лента уносила с собой разное количество слоев графита, то «на выходе» графитовая пластина имела крайне неоднородную толщину и содержала разное количество слоев. Однако в этом «рельефе» нашелся участок толщиной ровно в один слой атомов углерода — желанный графен. Это оказалось настоящим везением. Дело в том, что детектировать графен в тонкой неоднородной по толщине графитовой пластине при помощи атомно-силовых и сканирующих электронных микроскопов технически трудно. Поэтому для поиска монослоя графита 50 нм 2 нм 63 нм 72 нм 12 нм 6 нм 4 нм Рис. 13. Получение графена Слева: фотография графитовой пластины неоднородной толщины. Толщина отдельных участков приведена прямо на фотографии (указанные значения были получены с помощью атомно-силового микроскопа). Длина масштабной линейки 50 мкм. Справа: изображение графена, полученное с помощью атомно-силового микроскопа. Черная область соответствует подложке окисленного кремния, средний участок толщиной 0,5 нм — это графен, светлый участок содержит несколько слоев графена и имеет толщину 2 нм. 49 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Гейм и Новоселов использовали обычный оптический микроскоп. Толщина подложки из оксида кремния (300 нанометров), на которую переносилась тонкая пластина из графита, была подобрана настолько удачно, что из-за интерференции света участки разной толщины имели свою окраску (рис. 13). Наименее контрастные, почти бесцветные области соответствовали самым тонким участкам. Именно среди них и был обнаружен графен. Лишь потом Гейм и Новоселов с коллегами, используя атомно-силовой микроскоп, убедились, что найденная ими область действительно является однослойной и вправе называться графеном. Хотя размеры первых полученных кристаллов графена были крошечными (порядка 1 мкм), ученые подсоединили к полученным образцам с помощью специального устройства электроды, чтобы изучить электронные свойства нового материала. Так получили графен наПолучение глядно. графена 50 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» УДИВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА Открытие графена вызвало бум в научном мире, многие ученые по всему миру сразу начали исследовать этот материал и выяснили, что он обладает удивительными свойствами. Особое впечатление произвели его электронные свойства, Гейм назвал их исследование «моментом Эврики». Но сказать проще, чем сделать. Одно дело — получить сверхтонкий материал на ленте скотча, и совсем другое — суметь протестировать его реакцию на электричество. Ученые использовали пинцет, чтобы перенести слои графена на чистую подложку, после чего добавили крошечное количество серебряной краски, чтобы обеспечить материалу электрический контакт. Учитывая невероятную тонкость графена, можно догадаться, что это было довольно сложно. Орудуя зубочисткой и потратив кучу времени на бесплотные попытки, в конце концов они получили впечатляющий результат. Графен не просто обладал высокой проводимостью, но легкость прохождения тока через него менялась при его приближении к электрическому полю. Мы уже сталкивались с теорией полей в этой книге (например, опыты Гейма с левитацией лягушки), но было бы полезно прояснить, что она собою представляет, прежде чем идти дальше. Электрические поля становятся крайне важны, когда мы имеем дело c мелкой электроникой. 51 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ Вернемся к Майклу Фарадею, человеку, подарившему науке понятия магнитного поля и диамагнетизма. Ученый обнаружил эффект слабого отталкивания магнитом некоторых веществ. Изначально Фарадей рассматривал поле как вспомогательное понятие, некую сетку координат, образованную магнитными силовыми линиями, необходимую для описания характера движения тел вблизи магнитов. Силовые линии и поля уже были известны физикам XIX века до Фарадея, но воспринимались как ненаучные. Но Майкл Фарадей9, будучи великим экспериментатором, тщательно исследовал и узаконил эти явления. Во многих источниках можно найти информацию о том, что явление электромагнитной индукции было открыто в августе 1831 года. Но в своих дневниках Фарадей писал, что это явление он наблюдал еще в 1822 году во время опытов с двумя проводящими контурами, надетыми на сердечник из мягкого железа. Первый контур был подключен к источнику тока, а второй — к гальванометру, который зафиксировал возникновение кратковременных токов при включении или отключении тока в первом контуре. Позже выяснилось, что подобные явления наблюдали и другие ученые, но, как поначалу и Фарадей, сочли их погрешностью эксперимента. Далее начались интенсивные исследования, в ходе которых Фарадей открыл и описал основные явления электромагнитной индукции, включая возникновение индукционных токов при относительном движении проводников и магнитов. На основании этих исследований Фарадей пришел к выводу о том, что решающим условием возникновения индукционных токов является именно пересечение проводником линий магнитной силы. Одним из важных аспектов электрического поля является его способность влиять на поток электричества в соседнем теле. Эта особенность используется для работы большинства транзисторов и чипов в гаджетах. Как правило это MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) — полевой транзистор с изолированным затвором (МДП — транзистор), затвор которого отделен от канала тонким слоем диэлектрика. 52 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Электромагнитные поля Сам транзистор состоит из диэлектрика, полупроводника и металла, имеет 4 электрода: исток, сток, подложка и затвор. Под воздействием определенного тока (поля) полупроводник начинает проводить электричество (усиленный сигнал с истока к стоку). Регулирует этот процесс затвор, на который подается разный ток для плавной регуляции усиленного сигнала. Определенный ток приходит на исток, затвор позволяет какому-то количеству идти на сток. MOSFET служит в основном как усилитель сигнала, либо как выпрямитель, для понижения напряжения до нужного значения. Будучи довольно грубо сконструированным, тестируемый кристалл графена менял электрическое сопротивление на несколько процентов, когда электрическое поле применялось из отдельного источника. Гейм заявил: «Если это грубое устройство, сделанное вручную из относительно больших и толстых пластин, уже показывает определенный полевой эффект, что же произойдет, когда мы используем наши тончайшие crystallites и применим весь арсенал возможностей микрообработки?». Спустя месяцы работы над толщиной образца команда из Манчестера смогла произвести истинный одиночный слой графена. Также им удалось увеличить его размер до миллиметра. И в результате статья с описанием проведенных экспериментов была издана в журнале «Science» в 2004 году после первого отказа журналом «Nature» из-за «недостаточной оригинальности работы». 53 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» СЛОЖНОСТИ В ПРОИЗВОДСТВЕ Самым большим сюрпризом графена было то, что он вообще мог быть произведен, десятилетиями ученые были уверены в невозможности производства столь тонкого материала. А когда внимание обратилось к углероду, теория предсказывала, что в пластине толщиной около 24 000 атомов решетка окажется нестабильной и будет скручиваться до трехмерных кусков. Более того, предполагалось, что при комнатной температуре тепловая вибрация разорвала бы графен. На практике же оказалось, что самая большая двумерная молекула углерода, даже синтезированная, состояла лишь из 222 атомов. Усугубляло проблему то, что традиционный способ выращивания кристаллов требует очень высоких температур для производства графена, делая влияние теплового эффекта сильнее. Таким образом, существовал аспект взаимодействия с внешней средой. Это одна из причин, почему двумерные материалы так отличаются от обычных кристаллов. В листе материала одноатомной толщины каждый атом кристаллической решетки напрямую подвергается воздействию окружающей среды. Любая молекула воздуха, влага и общее загрязнение будут поражать его в двух направлениях, потому как каждый отдельный атом экспонируется на обеих поверхностях материала. Будучи знакомыми с этими обстоятельствами и не владея методами для предотвращения скручивания и дезинтеграции от факторов окружающей среды, ученые осознали, что метод отделения хлопьев графена с помощью скотча может сработать. Потому что с помощью этого метода можно было легко отделить слои графена при комнатной температуре; тенденция к скручиванию оказалась меньше, а использование подложки удерживало графен в плоском состоянии и предотвращало повреждения. Конечно, в этих условиях все еще присутствовала слабая реакция с воздухом, но недостаточная, чтобы свести на нет удивительные свойства вещества. 54 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАФЕНА Безусловно, метод «эксфолиации» имел ряд преимуществ, но он не был идеальным для производства графена крупными партиями. Сложно себе представить масштабное производство гаджетов на основе графена, если процесс их создания начинался с куска скотча, постоянно прилепляемого к блоку графита и подложке. Сейчас используется множество альтернативных вариантов производства графена, позволяющих производить непрерывные образцы материала любого размера. Несмотря на то, что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим широко используемым химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные наноструктуры либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов. Однако при получении графена химическими методами есть некоторые трудности, которые должны быть преодолены: во-первых, необходимо достичь полного расслоения графита, помещенного в раствор; во-вторых, сделать так, чтобы отслоенный графен в растворе сохранял форму листа, а не сворачивался и не слипался. Одна из методик заключается во внедрении серной и азотной кислоты между слоями графита, и затем быстрого нагрева образца до 1000°C. Взрывное испарение молекул-интеркалянтов производит графитовые хлопья толщиной в несколько нанометров, которые содержат множество графеновых слоев. После этого в пространство между графеновыми слоями химически внедряют два вещества — олеум и гидроокись тетрабутиламмония (ГТБА). Обработанный ультразвуком раствор содержал как графит, так и графеновые листы, после этого методом центрифугирования проводили отделение графена. Другая методика не использовала интеркалянты. Ее секрет в правильных органических растворителях (например N-метил-пирролидон). Для получения высококачественного графена важно подобрать такие растворители, чтобы энергия 55 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен поверхностного взаимодействия между растворителем и графеном была такой же, как для системы графен — графен. Успех обеих методик обусловлен находкой правильных интеркалянтов и/ или растворителей. Конечно, существуют и другие методики получения графена, такие как преобразование графита в оксид графита. В них используется подход, называемый «оксидирование — расслоение — восстановление», в ходе которого базисные плоскости графита покрываются ковалентно-связанными функциональными группами кислорода. Этот окисленный графит становится гидрофильным (или попросту влаголюбивым) и может легко расслаиваться на отдельные графеновые листы под действием ультразвука, находясь в водяном растворе. Полученный графен обладает замечательными механическими и оптическими характеристиками, но его электрическая проводимость на несколько порядков ниже, чем проводимость графена, полученного при помощи «скотч-метода». Соответственно, такой графен вряд ли сможет найти применение в электронике. Графен, полученный в результате двух вышеобозначенных методик, оказался более высокого качества. Он содержал меньшее количество дефектов в решетке и поэтому обладал более высокой проводимостью. 56 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» УДИВИТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТЬ Как мы уже знаем, одно из замечательных свойств графена — очень высокая электропроводимость. Это возможно благодаря особенному строению его кристаллической решетки. Чтобы лучше понять эту особенность, нам нужно ближе ознакомиться с зонной теорией. Возвращаясь к модели атома Бора, мы можем вспомнить, что электроны в атоме расположены на различных орбитальных уровнях, c разЗонная личной удаленностью от ядра и, соответственно, теория твердого различной энергией связи электрона с ядром. тела При образовании кристаллической решетки твердого тела орбиты электронов несколько деформируются, и, соответственно, смещаются энергетические уровни удержания электронов на них. Так, можно заметить, что в твердом теле электрон не может не подвергаться электрическому воздействию со стороны соседних атоАтом Бора мов — он притягивается к их ядрам и отталкивается их электронами, но в то же время два электрона, в силу принципа запрета Паули, не могут находиться на одной орбите в одном и том же энергетическом состоянии, то есть два любых электрона в любом случае находятся на несколько отличающихся друг от друга энергетических уровнях. Таким образом, при образовании твердого тела каждый энергетический электронный уровень в атомах расщепляется на ряд близких подуровней, объединенных в энергетическую полосу, или зону. Все электроны, находящиеся в данной энергетической полосе, обладают очень близкими энергиями. На близких к ядру орбитах электроны находятся в связанном состоянии: они не способны оторваться от ядра, поскольку, хотя теоретически перескок электрона из одного атома в другой — на ту же по энергии орбиту — возможен, все нижние орбиты соседних атомов заняты, и реальная миграция электронов между ними невозможна. Поэтому для электрической проводимости очень важной является валентная зона10 — размытый на подуровни внешний 57 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен слой электронной оболочки атомов, который у большинства веществ не заполнен. Поскольку внешний слой не насыщен электронами, в нем всегда имеются свободные подуровни, которые могут занять электроны из внешней оболочки соседних атомов. И электроны действительно проявляют удивительную подвижность, хаотично мигрируя от атома к атому в пределах валентной зоны, а при наличии внешней разности электрических потенциалов они дружно «маршируют» в одном направлении, и мы наблюдаем электрический ток. Именно поэтому нижний слой, в котором имеются свободно перемещающиеся электроны, принято называть зоной проводимости — причем это даже не обязательно самый верхний (валентный) орбитальный слой электронов в атоме. Многозонную теорию строения твердого тела можно использовать для объяснения электропроводности вещества. Если валентная зона твердого тела заполнена, а до следующей незаполненной энергетической зоны далеко, вероятность того, что электрон на нее перейдет, близка к нулю. Значит, электроны прочно привязаны к атомам и практически не образуют проводящего слоя. И проводник будет представлять собой вещество с частично заполненной зоной Электрические валентных электронов, внутри которой элексвойства троны имеют значительную свободу перемещевещества ния от атома к атому. Но если мы говорим о графене, то там поведение электронов будет не таким, как, например, в металле. Эксперимент, который провели в Национальном графеновом институте в Великобритании ученые из Манчестерского университета, показал, что фундаментальный принцип Ландауэра, который устанавливает верхнюю границу на проводимость, в графене11 можно нарушить. В нем отдельные электроны будут взаимодействовать друг с другом. Это обычный процесс, но в другом веществе электроны будут отталкиваться друг от друга и рассеиваться, а в графене электроны образуют клейкую электронную жидкость, которая обладает вязкостью в 100 раз большей, чем у меда при комнатной температуре. Это замечательное ранее неизвестное поведение означает, что электроны внутри графена могут образовывать водоворо- 58 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Удивительная электропроводимость ты и вихри. Иногда их замечали даже движущимися в противоположном электрическому току направлении. Такое поведение электронов никогда не наблюдалось ранее ни в одном твердом теле или веществе, что открывает новые интересные задачи в исследовании электропроводности как явления. Исследователи сравнивают движение электронов в графеновых образцах с дорожным: ночью машины едут по прямой дороге быстро и практически беспрепятственно, что представляет собой условный максимальный предел. Однако в утреннее время, когда автомобили становятся в пробки, электронам, напротив, становится проще двигаться. Это происходит потому, что некоторые электроны у границ графенового канала, где и происходит рассеяние, движутся медленно, при этом защищая соседние электроны от этих границ. Таким образом формируется что-то похожее на буфер из электронов, глобальное рассеяние подавляется, и сопротивление вместе с ним. 59 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» КВАНТОВЫЙ ЭФФЕКТ Есть еще одна особенность поведения электронов в графене. Чтобы в ней разобраться, нужно рассмотреть «квантовый эффект Холла». Значение имеет и «аномальный квантовый эффект Холла», который не работает для графена, но актуален для других ультратонких материалов. Эти эффекты были открыты американским ученым Эдвином Холлом в 1879 году. Холл, пропуская ток через тонкую золотую пластину, расположенную между двумя магнитами, заметил, что носители заряда (электроны) отклоняются от центральной оси к одной из граней проводника. Таким образом, на этой грани возникает отрицательный заряд, а на противоположной — положительный. Возникшая разность потенциалов именуется холловским напряжением. Это значит, что на одной стороне проводника будет больше отрицательного заряда, чем на другой, что приводит к образованию электрического поля между относительно отрицательно и относительно положительно заряженными сторонами. Эффект Холла описывает квантовое поведение. Его можно наблюдать в двумерных проводниках или полупроводниках при очень низких температурах (в пределах нескольких градусов абсолютного нуля, составляющего –273,15 °C) и одновременно сильном магнитном поле. При этих условиях сопротивление объекта под прямым углом к потоку электронов становится квантованным — он может принимать только очень конкретные значения. Если Эффект быть точными, единственные варианты ограниХолла чены по двум константам природы — постоянной Планка h, которая дает связь между энергией фотонов и ее длиной волны, и ее заряда на электроне. Наблюдаемые значения определяются переменной с названием v, которая может принять целый ряд целого или дробного значения, давая объекту сопротивление h / ve. Это строго ограниченное значение сопротивления, являющееся очень точным, делает квантовый эффект Холла очень полезным для устройств, требующих точных электрических 60 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Квантовый эффект измерений, поэтому он ценен в различных видах детекторов. Интереснее то, что сопротивление материала в направлении текущего потока исчезает. Электроны текут вдоль края материала без каких-либо потерь для сопротивления. Это означает, что, в принципе, там не будет потери энергии из-за высоких температур, как в обычном проводном электричестве. Занятно, что квантовый эффект Холла имеет небольшую практическую ценность, потому что нереально найти провода, которые могли бы находиться в мощном магнитном поле на ультранизких температурах для повседневного использования. Это возможно в лабораториях, но не в коммерческих устройствах или проводке. Однако странная проводимость графена означает, что он может производить квантовый эффект Холла при комнатной температуре, хотя по-прежнему требует сильного магнитного поля. А теперь рассмотрим аномальный квантовый эффект Холла, бесполезный для графена, но актуальный для некоторых других ультратонких материалов, если говорить конкретнее — для «топологического изолятора». Чтобы в общих чертах дать представление о необычности топологических изоляторов, достаточно перечислить их отличительные особенности. Как можно понять уже из названия, материалы такого типа принято относить к изоляторам или, иначе, диэлектрикам либо полупроводникам, не пропускающим через себя электрический ток. Но за одним очень важным исключением — в своем тончайшем поверхностном слое этот материал проводит ток как металл и даже лучше. Для наглядности можно представлять себе топологический изолятор (ТИ) чем-то вроде куска дерева, покрытого сверху медью, только в данном случае речь идет не о двух веществах, а об образце одного и того же материала. Причем материала такого, в котором особое квантовое состояние электронов в поверхностном слое делает их не просто переносчиками тока, но «топологически защищенными» переносчиками. Иначе говоря, данные квантовые состояния электронов чрезвычайно стабильны — в отличие от обычных состояний частиц на поверхности здесь они не могут быть разрушены загрязнениями, неоднородностями или другими несовершенствами материала. 61 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Важно подчеркнуть, что топологические свойства этого материала могут устойчиво сохраняться вплоть до высоких температур, а это означает богатый потенциал ТИ для применения в самых разнообразных практических приложениях микроэлектроники и компьютерной техники — от очень быстрых, экономичных межсоединений, процессоров, памяти вплоть до топологических квантовых компьютеров. 62 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» СУПЕРСИЛА Одно из самых удивительных качеств графена — прочность, он намного прочнее стали. Это вообще самое прочное вещество, которое когда-либо было тестировано. Давайте внесем немного ясности в это утверждение — нельзя сравнивать невидимый глазу пласт графена с прочностью сантиметровой пластины из стали. И, конечно же, вы не сможете поднять слона, используя только двумерную пластину графена. Проблема в том, что понятие «прочность» несколько поверхностно в данном контексте. Утверждение графена как самого прочного материала относится к его прочности для растяжения. Для справедливого сравнения нам необходимо поместить графен в композит с каким-то связующим материалом, чтобы дополнить его до нужной толщины. Прочность на растяжение измеряется в паскалях, что чаще всего является единицей давления. Поскольку числа большие, проще проводить измерения в мегапаскалях, где 1 мегапаскаль = 1000 000 паскалей. Например, давление в шинах автомобиля составляет около 0,2 мегапаскалей. В таблице ниже вы увидите, насколько графен опережает своих соперников по прочности к растяжению. Материал Графен Нанотрубки из нитрида бора Кремний монокристаллический Кеврал Бриллиант Прочная сталь Латунь Человеческий волос Сосна Железо Предел прочности (мегапаскалей) 130,000 33,000 7,000 4000 2800 2500 500 225 40 3 63 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Различные трубчатые варианты графена также имеют экстремально высокий предел прочности. Причина такой прочности графена в особенностях его межатомных связей. 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 кристалCамый ла располагаются в углах, заполняющих плопрочный материал скость правильных шестиугольников. в мире! 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. 64 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ГИПЕРЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ Еще одно удивительное свойство графена — его гиперчувствительность к газам12. Благодаря этому его можно использовать для идентификации следов взрывчатых веществ в воздухе. Детектор на основе графеновой пены «чувствует» миллионные процентные доли газов, которые являются «отпечатками пальцев» взрывчатки. Графеновая пена может послужить газовым детектором, распознающим потенциально опасные и взрывчатые вещества, причем получать ее можно в промышленных количествах, что открывает возможности для нового поколения газовых датчиков. Графеновые детекторы гораздо более чувствительны к аммиаку и диоксиду азота, чем другие коммерчески доступные детекторы. Испытания графеновой пены показали, что она «чувствует» аммиак в количествах до тысячи миллионных долей за 5–10 минут при комнатной температуре и атмосферном давлении. При этом регистрируемое изменение сопротивления составляет 30 %. Современные коммерчески доступные полимерные сенсоры на порядок хуже: 30-процентное изменение сопротивления достигается через 5–10 минут в воздухе с 10 000 миллионных долей аммиака. Чувствительности графенового детектора хватает на распознавание 20 миллионных долей аммиака в воздухе. Кроме того, большинство современных детекторов энергоемки: для работы их приходится нагревать до высоких температур, а графеновая пена успешно работает в стандартных условиях. Кроме того, NO2 — один из основных газов-загрязнителей, уровень которого необходимо контролировать в продуктах горения, выхлопах автомобиля и других отходах. Графеновый детектор «чувствовал» 100 миллионных долей диоксида азота в воздухе за 5–10 минут — сопротивление изменялось в пределах 10 %, что снова оказалось в 10 раз эффективнее коммерчески доступных детекторов. 65 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» АНАЛОГИ С момента открытия Геймом и Новоселовым графена как стабильного двумерного материала оказалась, что он не единственный в своем роде. Нитрид бора, дисульфид молибдена, дихалькогениды — все это ультратонкие материалы с чудесными особенностями. Самый известный соперник графена — нитрид бора, близкий по пределу прочности материал, известный как «белый графен». Несмотря на совершенно другую химическую структуру, он является еще одним фаворитом ультратонкого мира. Нитрид бора — простое неорганическое соединение, состоящее из атомов бора и азота. Эта комбинация похожа на углерод своей универсальной способностью создавать связи. В результате получается эквивалентный набор аллотропов со структурами, подобными алмазу и фуллеренам. Самое главное здесь, что нитрид бора может создавать однослойные гексагональные решетчатые пластины, такие же, как графен. В двумерной листовой форме, как и в графене, атомы нитрида бора расположены в гексагональной решетке, но с существенной разницей в том, что атомы вокруг каждого шестиугольника чередуются между бором и азотом. Каждый ковалентный атом связан с одним из его соседей двойной ковалентной связью, и двумя другими соседями — одиночной связью (рис. 14). Рис. 14 Кристалличекая решетка нитрида бора 66 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Аналоги Главными характеристиками этого вещества можно назвать то, что оно придает любому изделию стабильность, термостойкость и плотность. Сейчас идут активные разработки нанотрубок на основе нирида бора, они будут полезны при колонизации Марса. Помимо всего прочего в последнее время нитрид бора очень активно используют в декоративной косметике с целью улучшения ее оптических и сенсорных характеристик. Встретить его можно в составе минеральной косметики. Нанотрубка Нельзя не отметить и то, что благодаря на основе нитрида определенному способу его изготовления (кубора бическому) из данного вещества сегодня получают искусственные алмазы. Кристаллы нитрида бора определенным методом преобразовывают, после чего из него можно получать искусственные камни с более качественными характеристиками, чем даже сами натуральные алмазы. Еще одно из возможных применений для нитрида бора — очищение воды от загрязнений. Пластина из слоев нитрида бора может поглощать до 33 раз больше своего собственного веса в потенциальных загрязнителях, таких как масло и органические растворители. Его способность отталкивать воду позволяет использовать нитрид бора в самоочищающихся экранах гаджетов. 67 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ДИСУЛЬФИД МОЛИБДЕНА Сочетание одного атома металла молибдена с двумя атомами серы составляет одну молекулу дисульфида молибдена. Это серебристо-черное вещество, встречающееся в виде минерала молибденита — основной руды для молибдена. Руда добывается открытым способом или техникой блокового обрушения, в результате чего материал выкапывают из-под руды, которая затем прогибается под собственным весом. Дисульфид молибдена достаточно схож с графитом, что проявляется в наличии его гексагонального строения. Температурный режим, способствующий началу процесса окисления MoS, соответствует уровню в 350 °С. Но стоит учитывать, что, находясь в условиях вакуума, дисульфид молибдена способен выдерживать повышение температуры вплоть до 1000 °С. Дисульфид молибдена применяется и в качестве дополнительной добавки в состав технических смазок, причем как пластичных, так и жидких категорий. Наиболее известные механизмы, нуждающиеся в дополнительном воздействии подобных химических смазок, представлены автомобильными моторами, функционированию которых зачастую свойственны достаточно экстремальные условия. Использование подобных масел с дисульфидом молибдена позволяет избежать нежелательных контактов механизмов и шероховатых поверхностей рельефа. Вследствие этого процессы соприкосновения осуществляются по зачищающим оболочкам. Помимо этого дисульфид молибдена можно использовать в качестве новой 2D-нанопористой мембраны для опреснения воды. Подведя итоги, можно сказать, что графен, нитрид бора и дисульфид молибдена — лидеры в революции ультратонких материалов, но они Дисульфид не единственные в своем роде. молибдена как новая пористая мембрана для опреснения воды 68 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» СИЛИЦЕН И ДИХАЛЬКОГЕНИД Одним из перспективных материалов для наноэлектроники назван силицен. Изначально он был предсказан теоретически как наноматериал со складчатой структурой поверхности толщиной в один атом и распределением электронов, обладающих свойствами фермионов Дирака. Попытки получить силицен предпринимались неоднократно различными группами ученых. В итоге исследователи определили межатомные расстояния и валентные углы, и их данные совпали с теоретическими предсказанными значениями. Силицен — двумерное аллотропное соединение кремния, подобное графену, полученное искусственным путем. Силицен является аналогом графена со схожими свойствами. Однако с точки зрения структуры силицен превосходит графен. Так, атомная структура графена находится в одной плоскости, а атомы кремния в атомной структуре силицена могут выпирать, что приводит к появлению новых электрических свойств у силицена по сравнению с графеном. Так же, как и графен, силицен обладает отличной проводимостью, позволяя электронам перемещаться почти беспрепятственно. Он обладает полной совместимостью с существующей электроникой, основанной на кремнии. Данное свойство является важным, поскольку электронные устройства на основе силицена могут быть легко совмещены с существующими электронными устройствами. Кроме того, в силицене проще организовать так называемую «запрещенную зону», необходимую для работы транзисторов. Новый материал впервые синтезировали в 2010 году. Как и графен, он состоит из однослойной пленки атомов, упорядоченных подобно сотам (только из атомов кремния, а не углерода). Особые свойства обоих материалов (прочность, гибкость, отличная электропроводимость) воодушевили изготовителей полупроводников. Неумолимые потребности миниатюризации компьютерных микросхем говорят о том, что предел уменьшения деталей из кремния все ближе и ближе. Нидерландские ученые записали на видео процесс образования силицена: они дали испаренным атомам кремния осаждаться на серебряной поверхности — так сразу получилась пре- 69 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен лестная одноатомная пленка. Все шло хорошо, но с определенного момента на сформировавшийся слой стали падать новые атомы, и начиналось образование кристаллов кремния (кристаллическая структура принципиально отличается от сотовой). Выяснилось, что новообразованный кремний поглощает силицен. Дело в том, что кристаллическая структура кремния с энергетической точки зрения более благоприятна, чем сотовая (силицена), и поэтому более стабильна. Ученым не удалось покрыть силиценом всю поверхность серебра (максимум 97 %), и, главное, создать многослойную пленку. Иными словами, как только поверхность практически до конца закрыта силиценом, материал «кончает жизнь самоубийством», и на его месте остается обычный кремний. Ученые говорят, что если даже поменять тип поверхности, иного результата ожидать не стоит, т. к. воздействие субстрата на образование второго слоя силицена пренебрежимо Осадка мало. силицена Еще одним ультратонким материалом является дихалькогенид. Это общее название для химического соединения, содержащего 2 атома халькогена (элемента 16-й группы периодической таблицы химических элементов Менделеева, в которую входят кислород, сера, селен, теллур, полоний и искусственный ливерморий), а также один атом металла. Дихалькогениды переходных металлов (например, дихалькогенид титана) вызывают большой интерес у науки, поскольку обладают полупроводниковыми свойствами и допускают создание структур, применимых в наноэлектронике. Таким образом, они потенциально применимы в электронных и оптоэлектронных устройствах, в частности, светодиодах и солнечных батареях. Особые надежды на дихалькогениды переходных металлов возлагаются в связи с тем, что к ним применима техника интеркаляции, что позволяет гибко менять основные свойства создаваемых гетероструктур. В отличие от своих трехмерных аналогов, являющихся полупроводниками с непрямой запрещенной зоной, двумерные пленки дихалькогенидов переходных металлов — проводники с прямой запрещенной зоной. Также надо отметить, что монослой этого материала эффективно погло- 70 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Силицен и дихалькогенид щает и испускает свет, поэтому он может быть использован для создания различных оптоэлектронных устройств, к примеру, светоизлучающих диодов, солнечных элементов или высокочувствительных детекторов света. Сегодня дихалькогенид переходных металлов имеет ряд проблем: в первую очередь это касается хрупкости самого материала, а также большого количества брака, что, впрочем, следует из первого. В действительности пластина графена представляет собой единую, огромную молекулу углерода, которая может быть подвержена химическим реакциям для получения графена с одним атомом водорода на атом углерода и с атомом фтора на атом углерода. Оба соединения являются стабильными веществами, но флюорографен13 более устойчив и наиболее исследован. Флюорографен сохраняет гексагональную решетку графена, но с атома фтора, присоединенного к каждому атому углерода. Самый лучший способ его производства на данный момент — это воздействие на лист графена газа XeF2 (одно из редких соединений благородного газа ксенон). Флюорографен может быть произведен только в небольших количествах, но доказано, что он отличный изолятор и может быть использован в многослойных конструкциях с высокопроводимым графеном. Флюорографен также способен противостоять температурам до 200 °C и химически инертен. Он не только проявляет свойства двумерного изолятора, но может создавать тонкую пленку — аналог политетрафторэтилена (ПТФЭ). У этого вещества есть и другие названия: фторопласт, или тефлон. С химической точки зрения тефлон — это полимер, в состав которого входит только углерод и фтор. К двум атомам углерода присоединяются четыре атома фтора, и все это соединяется в длинные-длинные цепи, как и положено полимеру. Что такое По своему внешнему виду этот полимер «тефлон»? напоминает нечто среднее между парафином и полиэтиленом. Он обладает максимальной химической стойкостью, не вступая в реакцию ни с одной из распространенных кислот и щелочей. Растворить его может только трифторид хлора, жидкий фтор и особые расплавы щелочных металлов. 71 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Политетрафторэтилен был открыт в 1938 году химиком Роем Планкеттом, работавшим в одной из лабораторий всемирно известного химического концерна DuPont. Причем открыт был совершенно случайно. Тогда ученый проводил эксперименты с хладагентами в своей лаборатории. В ходе исследований произошла полимеризация — объединение отдельных молекул газа в длинные полимерные цепи. Исследовав свойства образовавшегося полимера, Планкетт обнаружил, что это вещество, очень похожее на воск, устойчивое к воздействию тепла, химически неактивное и очень скользкое. Этот довольно скользкий полимер обладает повышенной устойчивостью к агрессивным средам, таким как кислоты и щелочи, а также к высокой температуре. Этому веществу дали название «Тефлон». Тефлон известен своими антипригарными характеристиками, которые обьясняются очень низкой адгезией (липучестью) материала, он тепло- и морозостоек, эластичен при любых температурах, не проводит электричество, не липнет ни к чему, а также не смачивается практически ничем — ни жиром, ни водой, ни растворителями. Из-за большой биологической инертности полимера его стали широко применять в медицине для изготовления суставных протезов, имплантатов, сердечных клапанов, а также в качестве покрытия хирургических инструментов. Независимо от того, говорим ли мы о графене, который по-прежнему обладает самыми необычными возможностями из любых известных веществ, либо о других двумерных материалах, в мире науки произошел взрыв, связанный с потенциальными возможностями применения этих уникальных веществ. 72 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» УЛЬТРАТОНКИЙ МИР Ученые по всему миру разрабатывали идеи применения ультратонких материалов, применяя их многообещающие качества. У нас уже есть возможность наблюдать новые чудесные продукты на их основе, но это только начало, и впереди нас ждут новые полезные открытия. Заголовки, рекламирующие графен как чудо-материал, регулярно появлялись на протяжении последних десяти лет, и переход от обещания к реальности слегка затянулся. Но это логично: чтобы новый материал нашел себя во всех сферах жизни, требуется время. Между тем годы исследования графена дали нам длинный список причин не забывать о нем. Транзисторы С момента открытия графена в 2004 году ученые по всему миру разрабатывали способы применения этого материала в электронике. Основными проблемами были высокие утечки, сложности в работе с графеном и трудности при нанесении подложки-изолятора, что мешало физикам создать транзисторы, приспособленные для промышленного производства. В отличие от обычных полупроводников, находящих широкое практическое применение, графен не имеет запрещенной зоны, что означало сложности или полную невозможность построения транзистора нового поколения на его основе. Но был найден другой путь, отличный от используемого в обычных транзисторах. В полупроводниках, используемых в транзисторах, существует (как и в любых твердых материалах) зона энергии, в которой электроны могут свободно течь, что делает их проводником и «открывает» их, и зона, в которой их движение невозможно, что вызывает «закрытие». Для открытия и перехода в состояние зоны проводимости требуется относительно малое количество энергии. Именно эти свойства определяют принципы и характеристики полупроводниковых транзисторов. Однако отсутствие у графена запрещенной зоны серьезно ограничивает его использование в качестве транзистора: 73 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен у графена нет областей энергии, которыми не может обладать электрон в кристалле. На практике это означает невозможность «отключить» графеновый транзистор. Поэтому одной из основных задач, стоявших перед исследователями свойств графена, было создание искусственной запрещенной энергетической зоны. Добивались они этого приложением электрических полей, добавлением примесей или растяжением и сжатием материала. Попытки не увенчались положительным результатом: для создания транзистора требуется запрещенная зона порядка единицы эВ при условиях комнатной температуры, а все попытки приводили к размеру запрещенной зоны лишь в несколько сотен мэВ. И даже в этом случае у графенового транзистора возникали отрицательные свойства: слишком высокие энергопотребление и рассеиваемая теплота. Спустя годы работы физики заявили о создании первых «магнитных» графеновых транзисторов, которые могут работать в тысячи раз быстрее, чем их кремниевые конкуренты, и при этом потребляют в разы меньше энергии. Проблема была решена использованием «магнитных» аналогов, в которых движением электронов управляют магнитные, а не электрические поля. Работа таких транзисторов обеспечивается одним из необычных свойств графена — электричество начинает течь через него быстрее при приложении магнитного поля, а не медленнее, как для большинства других материалов. Соответственно, меняя напряженность и направление магнитного поля, можно управлять тем, проходит ли ток через графен, что фактически является аналогом того, как работает «обычный» транзистор. Так был создан графеновый транзистор без применения самого графена. Он выглядел как набор из трех углеродных нанотрубок — одной дефектной, с частичным «разрывом» посередине, что делает ее эквивалентом узкой полоски из графена, и двух нормальных нитей, играющих роль источника магнитных полей. Ток в таком транзисторе, если напряжение в двух контролирующих нанотрубках остается на постоянном уровне, может течь только в одном направлении, и его сила будет зависеть от того, как много тока пропускается через боковые углеродные нити. Соответственно, понижая или повышая его силу, ученые могут закрывать или открывать «затвор» транзистора. 74 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Ультратонкий мир Более того, меняя силу тока в каждой из трубок по отдельности, можно заставить один такой транзистор исполнять некоторые логические функции, что заметно уменьшает сложность устройства микросхем. Основным преимуществом таких транзисторов, помимо сверхвысокой скорости их переключения, является возможность соединения друг с другом напрямую, что выгодно отличает их от других типов графеновой электроники. А это позволяет создавать аналоги полупроводниковых логических схем из нанотрубок и графена уже сейчас. Но есть и недостатки «магнитного» транзистора: он работает при сверхнизких температурах — не более 70 градусов Кельвина (минус 203 градуса Цельсия). Но ученые обещают решить эту проблему в ближайшее время и заставить транзистор работать при комнатной температуре. Чипы Использование графена актуально и в интегральных схемах. Это очевидно по ряду причин: материал дешевле, более упругий и в разы тоньше кремния. В 2011 году IBM информировала о создании первого прототипа чипа на основе графена. Это стало весомым шагом на пути создания нового поколения микропроцессоров с графеновыми подложками вместо кремниевых. Графеновые технологии позволяют электронным устройствам работать на высоких частотах, а первое графеновое устройство — смеситель частоты на 10 ГГц — позволит медперсоналу «заглянуть» внутрь человеческого организма, не подвергая его вредному воздействию привычных для обычной медицины рентгеновских Нанолучей. Схема смесителя частоты была собрана компьютер на подложке из карбида кремния и составлена из графеновых полевых транзисторов. Первым шагом было создание первых графеновых транзисторов, способных работать на частоте в 100 ГГц, затем ученым удалось объединить транзисторы в полноценную функционирующую схему. Изготовленная схема представляла собой широкополосный смеситель частоты, который является одним из ключевых 75 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен компонентов высокочастотных радиоустройств. С его помощью создаются радиосигналы, являющиеся суммой или разностью двух независимых входных сигналов. Смеситель IBM выполнял операции на тактовой частоте в 10 ГГц и устойчиво работал при температуре 125 градусов Цельсия. Подобная схема может функционировать еще быстрее, что позволит реализовать улучшенные чипы приемопередатчиков мобильных телефонов, с помощью которых телефоны будут способны работать в зонах, недоступных для работы обычных гаджетов. Интегрированную схему на чипе можно использовать не только в беспроводных средствах связи, но и в других областях — схема полностью рабочая и способна заменить аналогичные кремниевые чипы. Спустя несколько лет исследователи из IBM предложили использовать графен для более точного нанесения наноматериалов. Это позволяет избегать химического загрязнения изделий и создавать элементы размером меньше 7 нанометров. Результаты исследования изложены в журнале «Nature Communications». Благодаря современным технологиям производства микроэлектроники компании могут создавать устройства размером в несколько нанометров, однако работать с еще более мелкими деталями становится все трудней. В частности, один из крупных производителей микропроцессоров, американская комания GlobalFoundries Inc., заявила о том, что приостанавливает разработку чипов по 7-нм технологическому процессу. Тем не менее элементы столь крохотного размера могут обладать уникальными оптическими и электрическими свойствами, что делает их привлекательными для промышленности. В новой работе сотрудники бразильского исследовательского подразделения IBM совместно с учеными из США и Германии описали, как можно наносить детали на твердую полупроводниковую пластину при помощи наэлектризованного графена с нанометровой точностью в 97 % случаев. Более того, процесс можно проводить параллельно в нескольких местах, то есть он подходит не только для лабораторных демонстраций, но и для производства изделий в больших масштабах. Метод опирается на свойства графена — самого тонкого проводника электрического тока, который при этом очень прочен. Авторы работы создают графеновые пластины специаль- 76 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Ультратонкий мир ной формы и текстуры, что позволяет точно управлять процессом нанесения материалов. Сегодня для аналогичных процедур используются стандартные вещества, обычно металлы, такие, как медь. Отделить медь от наноматериала, не повредив его, чрезвычайно трудно. В то же время графен позволяет не только точно контролировать процесс нанесения, но и легко удаляется после сборки. Разработанная технология позволила увеличить вычислительную мощность компьютеров и ускорить работу «Интернета вещей». Кроме того, это помогло сократить расход энергии и увеличить срок работы устройств. По сравнению с доступными на рынке чипами, изготовленными по 10-нанометровому техпроцессу, новые чипы могли дать на 40 % большую производительность и на 75 % меньший расход энергии. Над подобными технологиями IBM работает больше десятка лет. Для создания новых чипов инженеры использовали уже испытанный метод фотолитографии в глубоком ультрафиолете (Extreme ultraviolet lithography, EUV, EUVL). Это достижение открывает новую страницу углеродной электроники. Благодаря дешевизне углерода микросхемы станут доступней, что означает популяризацию различных «умных» сенсоров, радиоидентификаторов и гаджетов. Графеновые наноленты Если разрезать кристалл графена на полоски, то в зависимости от направления «нарезки» форма края будет отличаться: в одном случае мы получим так называемое «кресло», а в другом — «зигзаг». Согласно расчетам наноленты первого типа всегда будут полупроводниками, в которых ширина ленты определяет размер запрещенной зоны (то есть количество энергии, необходимое, чтобы перебросить электрон из валентной зоны в зону проводимости). А наноленты второго типа всегда будут полуметаллами (то есть их зона валентности и проводимости касаются друг друга, не пересекаясь). Более того, теоретики предсказывают, что в таком случае края должны обладать магнитными свойствами. Эту гипотезу сложно подтвердить или опровергнуть экспериментально, поскольку эффект ожидается слабый, а изготовление нанолент с идеальным краем — 77 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Рис. 15 Графеновые наноленты невероятно тяжелая, если вообще выполнимая задача. Электронные и магнитные свойства графеновых нанолент (рис. 15) тесно связаны не только со структурой края, но и с его качеством. Любой незначительный дефект может «смазать» все взаимодействия и даже превратить наноленту в полупроводник. Необходимость идеально ровного края на атомном уровне усложняет производство достаточно качественных образцов для статистически значимых наблюдений. Именно поэтому нам до сих пор сложно сказать что-то однозначное на основе имеющихся данных. Мы точно знаем, что в однослойном графене образуются краевые электронные состояния, но можем только гадать об их магнитных свойствах. Чтобы изучить магнитные свойства полученных нанолент, Михаэль Слота и его коллеги из университетов Оксфорда и Ланкастера использовали электронный парамагнитный (спиновый) резонанс (ЭПР), который можно назвать электронным «братом» другого метода, ядерно-магнитного резонанса. Спином в квантовой физике называют проекцию момента импульса частицы на определенную ось, обычно направленную вдоль внешнего магнитного поля, если оно присутствует. Магнитное поле расщепляет энергетические уровни образца (эффект Зеемана: спин «по полю» более энергетически выгоден, чем спин «против поля»; разница в энергии определяется силой магнитного поля). Одновременно образец облучают микроволновым излучением, которое постепенно изменяет частоту. Когда частота излучения совпадает с энергетической разницей между разными направлениями спина, образец погло- 78 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Ультратонкий мир щает излучение. По форме спектров поглощения при разных магнитных полях можно судить о магнитных свойствах образца и точно измерить величину взаимодействий, которые эти свойства определяют. Используя ЭПР, физики показали, что магнитные спины на радикалах действительно наводят спиновую плотность по краю наноленты. Чтобы точно определить магнитные свойства собственно графеновой наноленты, для сравнения использовались образцы, содержащие аналогичную цепочку из молекулярных магнитов, но без графена. Помимо демонстрации магнитных краевых состояний, ЭПР-спектроскопия позволила измерить силу спин-орбитального взаимодействия в графеновых нанолентах. Полученные данные очень полезны для теоретических моделей электронной структуры графена и важны в более фундаментальном смысле: спин-орбитальное взаимодействие в этом материале настолько мало, что его практически невозможно измерить методами квантовой электроники, которые обычно используют для таких целей. Более того, изучение «динамических» спектров и спинового эха дает информацию о том, как долго живет каждое магнитное состояние. С помощью динамического ЭПР физики измерили время релаксации спина и потери когерентности по краям графеновых нанолент. Спиновая когерентность в таких образцах сохраняется дольше, чем считалось ранее. Возможно, причина в том, что в отличие от образцов из других экспериментов, стабилизированные графеновые наноленты менее подвержены случайным структурным вариациям и рассеиванию на контактах с электродами. Исследователи подозревают, что источником декогерентности в нанолентах стало взаимодействие электронных спинов с ядерными спинами молекул радикалов. Хорошая новость заключается в том, что, оптимизируя состав этих радикалов, можно снизить концентрацию ядерных спинов или уменьшить чувствительность спиновых кубитов к магнитному шуму. Поскольку магнитные спины могут ориентироваться либо вдоль магнитного поля, либо против, из них можно составить кубит — квантовый аналог единицы хранения информации. Разница между кубитом и обычным, «классическим», битом в том, что кубит — это суперпозиция состояний, обозначенных как 0 и 1, возможных с определенной вероятностью. Кубит 79 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен описывается не только состоянием 0 или 1, но и соотношением их вероятностей (сумма квадратов вероятности каждого из состояний кубита равна 1), поэтому в одном кубите можно зашифровать больше информации, чем в обычном бите. К кубитам, пригодным для квантовых компьютеров, предъявляется целый ряд требований. Они должны быть «запутаны» друг с другом (квантовая запутанность означает, что изменение состояния одного из кубитов означает такое же изменение другого). Также система должна быть изолирована от случайных внешних пертурбаций, которые невосполнимо разрушают запутанность и когерентность передаваемого сигнала. В то же время кубитам нужны внешние стимулы, которые бы ими управляли и считывали зашифрованную информацию. В этом отношении у графена есть преимущество по сравнению с другими материалами, которые могли бы хранить кубиты (например, такие полупроводники как арсенид галлия и кремний): электронный ток, протекающий через графен, позволяет управлять кубитами и запутывать их. Более того, два главных причины потери когерентности (которая ведет к потере квантовой информации) почти полностью отсутствуют в графене. Эти причины — взаимодействие электронных спинов с орбитальным моментом электронов в узлах кристаллической решетки и взаимодействие тех же электронных спинов с ядерными спинами: спин-орбитальное взаимодействие в графене пренебрежимо мало, а концентрация ядерных спинов в системе из данной работы невелика. Нужно отметить, что в проведенном эксперименте магнитные состояния в графеновой наноленте появились за счет модификации магнитными радикалами. То есть про собственный магнетизм краев все еще сложно сказать что-то конкретное. Возможно, если прикрепить по краю немагнитные молекулы, получится измерить собственный магнетизм края, но в любом случае мы должны различать «чистые» графеновые наноленты и модифицированные. Ведь даже немагнитные радикалы могут существенно изменить электронную структуру края, что повлияет на все остальные свойства материала. Впрочем, с точки зрения приложений эта тонкость второстепенна. Чтобы управлять кубитами и считывать с них информацию, нужна внешняя система. Скорее всего, наноленты нужно будет 80 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Ультратонкий мир «соединить» с другими полупроводниковыми или квантовыми устройствами, а это значит, что контакты уменьшат срок жизни когерентности квантовых состояний в наноленте. С другой стороны, возможно, стоит пожертвовать временем декогерентности и увеличить силу спин-орбитального взаимодействия края наноленты с радикалами, чтобы управлять спином в прикрепленных молекулах с помощью электрического поля. Такое усиление можно получить заменой органических радикалов на металлические комплексы. Для этого придется разрабатывать новую химическую «кухню», но в любом случае ключ к реализации подобных устройств на основе графена, похоже, лежит в кармане у химиков. Полученные результаты должны стать трамплином для ответа на многие вопросы о свойствах графеновых нанолент и тонкостях магнитных взаимодействий на молекулярном уровне. Cолнечные батареи Солнечная энергия — важный источник возобновляемой энергии, которую преобразовывают с помощью солнечных батарей в световую энергию, то есть в электричество, посредством фотовольтаического эффекта. Первое поколение кристаллических кремниевых солнечных панелей обладает высокой стабильностью эффективного преобразования энергии, но они непрозрачные и дорогостоящие. Второе поколение солнечных батарей, представляющих собой тонкопленочные солнечные элементы, имеют малый вес и могут быть гибкими. Однако они сделаны из редких материалов со сложной структурой и для нагрева нуждаются в высоких температурах. Основной целью научно-исследовательских работ была разработка солнечных панелей высокой эффективности, простых в изготовлении, с низкой себестоимостью, поэтому в последние годы гонконгские ученые вплотную занялись разработкой солнечных элементов третьего поколения. В последнее время внимание многих ученых привлекали перовскитные солнечные элементы, так как их можно использовать в солнечных батареях третьего поколения, поскольку такие батареи обладают высокой эффективностью преобразования энергии, удобны в изготовлении и у них потенциально низкая стоимость. 81 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Отличительная черта органических фотоэлементов — это проводящие электроды, являющиеся абсолютно прозрачными. Благодаря этому внутри солнечного элемента свет взаимодействует с активными веществами, в результате чего генерируется электрический ток. В настоящее время для создания больших сборок из гибких солнечных элементов применяются полимерные листы с графеновой основой. Графеновые листы применяют для преобразования солнечной энергии в электричество. Благодаря этому сам процесс получения энергии солнечного излучения становится относительно недорогим. Группа ученых из Калифорнийского университета выдвинула теорию, согласно которой графен, выступающий в качестве атома-листа с толщиной в один единственный атом углерода без труда интегрируется в гибкие полимерные листы, из которых после нанесения на них термопластического защитного слоя можно будет сформировать непосредственно сами ячейки органических солнечных элементов. Цена на такие солнечные панели (рис. 16) будет минимальной, поскольку качественный графен сегодня получают в достаточном количестве методом химического осаждения паров. Органические солнечные панели смогут скомпенсировать этот недостаток благодаря своей гибкости и дешевизне. Высокая гибкость ячеек органических солнечных элементов дает неоспоримое преимущество: панели могут работать даже после многократных изгибов. Невысокая стоимость, стабильность, доступность, электропроводность, а также совместимость органики и электропроводности наряду с гибкостью — все это даст органическим графеновым ячейкам решительные преимущества перед другими аналогами. Рис. 16 Солнечные панели на основе графена 82 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Ультратонкий мир Исследователи из Гонконгского политехнического университета разработали первые в мире полупрозрачные перовскитовые солнечные элементы с графеном в качестве электрода. Графен — идеальный кандидат для изготовления прозрачных электродов с хорошей проводимостью и с потенциально низкой стоимостью для солнечных батарей с высокой прозрачностью. Полупрозрачность — это особенность солнечных батарей третьего поколения, позволяющая поглощать свет, поступающий с обеих сторон, поэтому такую батарею можно использовать для окон, фасадов зданий, крыш домов и как жалюзи, тем самым существенно увеличивая площадь поверхности, собирающей солнечную энергию для ее преобразования в электричество. Из-за превосходной механической гибкости графена и удобной подготовки устройства, изобретение гонконгских ученых можно использовать для массового производства полупрозрачных перовскитных солнечных батарей. Гибкие дисплеи Все, кто пользуется смартфонами, знают, как легко повредить или даже разбить экран — достаточно просто уронить его на твердую поверхность. Команда исследователей из Университета Райса разработала новые гибкие экраны для смартфонов, более того, они потребляют меньше энергии и лучше реагируют на прикосновение, нежели традиционные экраны из стекла. Гибкие дисплеи — самое вероятное направление, в котором графен заменит ITO. Те гибкие дисплеи, которые существуют сегодня, базируются на OLED-технологии, материалом их светодиодных анодов является все тот же, ставший классикой, оксид индия-олова. ПроГибкие блемой является то, что применение усилия дисплеи из графена к такому дисплею в конечном итоге снижает его яркость и производительность. Постоянное сгибание-разгибание может привести к выходу светодиодов из строя. Иными словами, такие дисплеи изнашиваются. Если заменить ITO графеном, то износоустойчивость гибкого дисплея повысится. 83 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Графен гораздо более гибкий, чем его керамические аналоги, такие как оксид индия-олова, и более прозрачный, чем металлические пленки. Ультрагибкий слой графена может лечь в основу широкого спектра устройств, в том числе и гибкой электроники. К тому же, после обработки специальным раствором некоторые свойства материала значительно улучшаются. На Mobile World Congress 2017 компания FlexEnable продемонстрировала построенную на основе графена полноцветную пиксельную матрицу для энергоэффективных дисплеев и дисплеев с электронными чернилами. Такие экраны будут иметь толщину обычной бумаги. К тому же эти матрицы будут гибкими, что избавляет от необходимости использования толстого защитного стекла. В обозримом будущем мы действительно можем увидеть по-настоящему гибкие экраны. Команде южнокорейских разработчиков из научно-исследовательского института электроники и телекоммуникаций (ETRI) удалось создать первый прототип гибкой OLED-панели за счет применения графена в качестве материала для электродов. Сочетание механических и электрических характеристик этого материала таково, что он обладает нужной проводимостью, но при этом гибок и достаточно эластичен, чтобы не трескаться — а это и является ключом к созданию действительно гибких дисплеев. Команда ученых планирует вывести на рынок данную технологию в течение пяти ближайших лет. С ними согласен такой гигант индустрии, как LG Display: компания считает графен перспективным материалом для изготовления гибких OLED-панелей и обещает инвестировать в разработку соответствующих технологий 1,75 млрд долларов. 84 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ЗАКЛЮЧЕНИЕ. О ДИВНЫЙ НОВЫЙ ДВУМЕРНЫЙ МИР По мере исследований графена возможности его применения растут, и ученые во всем мире возлагают на него большие надежды. Даже мир моды заинтересовался суперматериалом14. В индустрию моды и красоты графен начал проникать еще в 2017 году, когда британская компания CuteCircuit представила платье с элементами из этого чудо-материала: Graphene Dress со встроенными светодиодами. Материал будущего выполняет в платье одновременно две задачи: он является датчиком, улавливающим частоту дыхания, а также питает светодиоды, которые меняют цвет платья. Разработчики умной одежды считают, что графен можно использовать для получения тканей, которые будут радикально менять свой цвет. Презентация Graphene Dress (рис. 17) состоялась на родине этого материала, в Манчестере. С тех пор как графен впервые выделили в 2004 году в Манчестерском университете, ученые по всему миру находили все новые способы использования и, что важно, производства графена. Одним из главных факторов, сдерживающих широкое распространение графена, было масштабное производство дешевого материала. Но в этом направлении ведутся работы. Когда будет открыт оптимальный способ производства дешевого графена в крупных масштабах, может произойти настоящая графеновая революция. И это оправдано, потому что материал может решить следующие мировые проблемы. Рис. 17 Платье на основе графена 85 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен 86 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Заключение. О дивный новый двумерный мир Проблема чистой воды. По подсчетам ООН, дефицит воды затрагивает более 40 % мирового населения и, по прогнозам, будет расти. Фильтры на основе графена вполне могли бы стать решением. Джиро Абрахам из Манчестерского университета помог разработать масштабируемые сита из графенового оксида для фильтрации морской воды. Он утверждает, что разработанные мембраны полезны не только для опреснения, но и для изменения размера пор в атомных масштабах, позволяющего фильтровать ионы в соответствии с их величиной. Кроме того, исследователи из университетов Монаш и Кентукки разработали графеновые фильтры, которые могут очистить что угодно, по размерам превышающее один нанометр. Ученые говорят, что их фильтры могут быть использованы для фильтрации химических веществ, вирусов или бактерий в жидкостях. Их можно использовать для очистки воды, молочных продуктов, вина или для производства фармацевтических препаратов. Проблема изменения климата из-за загрязнений окружающей среды. Одним из главных виновников изменения климата является чрезмерное количество углекислого газа, выделяющегося в атмосферу. Графеновые мембраны могли бы улавливать эти выбросы. Ученые из университета Южной Каролины и университета Ханьянг в Южной Корее самостоятельно разработали фильтры на основе графена, которые могут использоваться для отделения нежелательных газов от промышленных, коммерческих и жилых выбросов. Генри Фоли из Университета Миссури утверждал, что эти открытия стали «чем-то вроде святого Грааля». С их помощью мир мог бы остановить рост CO2 в атмосфере, особенно сейчас, когда мы преодолели серьезный рубеж в 400 частей на миллион. Проблемы здравоохранения. Прежде всего, высокая механическая прочность графена делает его идеальным материалом для протезов костей, а благодаря своей проводимости он может заменить части организма, которые требуют электрического тока, например, органы и нервы. Ученые из Мичиганского технологического университета работают над применением 3D-принтеров для печати нервов на основе графена, эта 87 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен команда разрабатывает биосовместимые материалы, используя графен для проведения электричества. Графен также можно использовать для создания биомедицинских датчиков для обнаружения болезней, вирусов и других токсинов. Поскольку воздействию подвергается каждый атом графена — из-за того, что графен толщиной в один атом, — датчики могут быть чрезвычайно чувствительными. Датчики на основе оксида графена могли бы обнаруживать токсины на уровнях в 10 раз меньших, чем требуют современные детекторы. Их можно было бы размещать на коже или под ней и предоставлять врачам и ученым огромное количество информации. Китайские ученые даже создали датчик, способный обнаруживать всего одну раковую клетку. Более того, ученые из Манчестерского университета сообщают, что оксид графена может находить и нейтрализовать раковые стволовые клетки. Новые источники энергии. Из-за легкости, проводимости и прочности на растяжение графен может сделать экологичную энергию более эффективной и дешевой. Например, графеновые композиты можно было бы использовать для создания более универсальных солнечных панелей. Исследователи из Массачусетского технологического института говорят, что при помощи графена возможно сделать гибкие, недорогие и прозрачные солнечные элементы, которые способны превратить практически любую поверхность в источник электроэнергии. Благодаря графеновым композитам также возможно создание больших и легких ветровых турбин. Кроме того, графен уже используется для улучшения традиционных литий-ионных батарей, которые обычно используются в бытовой электронике. Проводятся также исследования графеновых аэрогелей для хранения энергии и суперконденсаторов. Все это понадобится для крупномасштабного хранения чистой энергии. Графен актуален практически во всех отраслях: разработчики планируют подмешивать его в бетон при строительстве зданий в сейсмоопасных районах; автопрому графен нужен, чтобы удешевить корпус автомобиля, а в перспективе и вовсе заменить металл на пластик; аэрокосмическая отрасль надеется с его помощью выпускать более легкие, а значит, более деше- 88 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Заключение. О дивный новый двумерный мир вые (на них расходуется меньше топлива) самолеты и ракеты: новейшие модели лайнеров — американский Boeing 787 и российский МС-21 — почти наполовину состоят из композитных материалов. Особенно важен графен для энергетики. Испанский нефтегигант Repsol вложился в компанию Graphenea: материал необходим для буровых растворов и покрытия трубопроводов. Также с помощью графена можно усовершенствовать литий-ионные аккумуляторы: батарея получится более емкой, а время зарядки сократится. Это подтверждают пилотные продукты Elecjet (внешний аккумулятор емкостью 6000 мА / ч, заряжающий iPhone за 10 минут, в планах — создание электровелосипеда с запасом хода до 100 км) и Graphenano (аккумулятор для электрокара с удельной емкостью 1000 Вт / ч / кг). Помимо этого, «чудесный» материал даст толчок альтернативной энергетике. В Массачусетском технологическом институте доказали, что солнечные батареи с графеном производят энергию даже во время дождя. А Гейм с Новоселовым тестируют графен для получения водородного топлива буквально «из воздуха». Настоящий переворот ожидается в микроэлектронике. Возможности уменьшения кремниевых транзисторов близки к теоретическому пределу. Считается, что именно двумерные материалы позволят добиться следующего скачка вычислительных мощностей, вступив в эру посткремниевой электроники. Правда, не именно графен, а другие двумерные материалы. Графен уже применяют в производстве нового поколения гаджетов, пример тому — гибкие дисплеи смартфонов (благодаря способности графена к механическому растяжению) и «умные» часы, в которых он используется в качестве прозрачных электродов сенсорных экранов, заменяя дорогой оксид индия-олова. Помимо этого, на рынке можно встретить hi-end наушники с графеновой мембраной и смартфон в графеновом корпусе, не позволяющем перегреваться во время подзарядки. Еще один класс гаджетов, которые должен породить графен, — сверхчувствительные камеры и датчики. Оптические сенсоры на основе графена в сотни раз расширят диапазон действия, обеспечив видимость при плохой погоде и недостатке освещения, а также смогут «просвечивать» объекты насквозь. Это актуально не только для камер слежения в «умном» 89 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен доме и городе, но и для беспилотных автомобилей: нынешнее их поколение теряет управление, если разметку замело снегом или на дорогу спустился туман. Но самые важные графеновые инновации ожидаются в сфере биотехнологий. Сегодня уже существуют нейроинтерфейсы — например, можно вылечить слепоту, имплантировав в глаз искусственную сетчатку. Но пока это сложные, массивные, не слишком эффективные вещи. Графен позволит их модифицировать: электроды станут точнее, компактнее, будут оказывать меньше негативного воздействия на организм. Сначала заполнится рынок нейропротезов, а затем появятся люди-киборги, мозг которых соединен с компьютером и искусственным интеллектом. Когда-то это казалось фантастикой, но с появлением графена технологическая платформа для киберпанк-будущего готова. Ученые уже проводят опыты по прямому «апгрейду» живых организмов с помощью графена: пауки и шелкопряды, которым этот материал подмешали в корм, стали сильнее и начали плести более прочную нить. Существует мнение, что появление двумерных материалов спровоцирует технологическую революцию, сравнимую с изобретением колеса, бумаги, пластика или транзистора. Искусственный интеллект, виртуальная реальность и блокчейн — передовые технологии нашего времени, но по мнению многих исследователей графеновые разработки будут играть более масштабную роль в будущем. Пока о графене говорят недостаточно, возможно, недооценивают. Но так в XIX веке недооценивали алюминий, а сегодня его можно встретить повсеместно. А помимо графена существуют и другие ультратонкие материалы — это открывает нам двери в новый двумерный мир. 90 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ПРИМЕЧАНИЯ Шнобелевская премия — пародия на Нобелевскую премию — вручается «за достижения, которые заставляют сначала засмеяться, а потом задуматься». За лженаучные труды, а также открытия, которые бесполезны и бессмысленны. Премия учреждена Марком Абрахамсом и юмористическим журналом «Анналы невероятных исследований» в 1991 году. Английское название Шнобелевской премии Ig Nobel Prize представляет собой игру слов и созвучно с прилагательным «ignoble», что означает «постыдный». На русский язык название премии чаще всего переводится как «Антинобелевская премия» или «Шнобелевская премия». За исключением трех премий, присужденных в первый год, их вручили за реальные труды. Первые церемонии вручения премии проходили в Массачусетском технологическом институте. Сегодня Шнобелевскую премию вручают в Гарварде накануне вручения Нобелевской премии. Награду лауреатам вручают настоящие нобелевские лауреаты. Присуждение премии в некоторых случаях выражает завуалированную критику, как, например, в случае с наградой за исследования по гомеопатии. В большинстве случаев награждаются научные работы, заголовок или тема которых содержит элементы смешного, например, исследование, показавшее, что присутствие людей сексуально возбуждает страусов. Каждый год настоящие нобелевские лауреаты в бутафорских очках, с накладными носами и другими шутовскими атрибутами вручают лауреатам Ig Nobel их награды — медали из фольги или в виде клацающих челюстей, а также сертификат, удостоверяющий получение премии и подписанный тремя лауреатами Нобелевской премии. По величественному лекционному залу на 1166 мест театра Сандерса в Гарварде, в котором проходит церемония, летают бумажные самолетики. Церемония награждения транслируется по американскому телевидению и радио на нескольких языках. Ее также можно смотреть в прямом эфире на официальном сайте премии. 1 91 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен Через несколько дней после церемонии в Массачусетском технологическом институте проходят неофициальные игнобелевские лекции, на которых лауреаты могут объяснить свои исследования и их значение. В 2000 году Шнобелевскую премию получил наш бывший соотечественник Андрей Гейм за левитирующую лягушку. В 2010 году он же получил Нобелевскую премию в области физики за практическое получение графена (слоя кристаллического углерода толщиной в один атом). Таким образом, Андрей Гейм стал первым и пока единственным в истории человеком, удостоенным как Шнобелевской, так и Нобелевской премии. Планк, Макс (1858–1947), немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой теории. Родился 23 апреля 1858 в Киле. Учился в Мюнхенском и Берлинском университетах, в последнем прослушал курс лекций физиков Гельмгольца и Кирхгофа и математика Вейерштрасса. А это же время тщательно проработал труды по термодинамике Клаузиуса, во многом определившие направление исследований Планка в эти годы. В 1879 стал доктором философии, представив к защите диссертацию «О втором законе механической теплоты». В своей диссертационной работе рассмотрел вопрос о необратимости процесса теплопроводности и дал первую общую формулировку закона возрастания энтропии. Через год после защиты получил право на преподавание теоретической физики и пять лет читал этот курс в Мюнхенском университете. В 1885 году стал профессором теоретической физики Кильского университета. Самой значительной его публикацией в этот период стала книга «Принцип сохранения энергии», получившая премию на конкурсе философского факультета Геттингенского университета. 2 Эйнштейн, Альберт (1879–1955), физик-теоретик, один из основоположников современной физики. Известен прежде всего как автор теории относительности. Эйнштейн внес также значительный вклад в создание квантовой механики, развитие статистической физики и космологии. Лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года («За объяснение фотоэлектрического эффекта»). 3 92 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Примечания В развитие идеи де-Бройля о волновых свойствах вещества Э. Шредингер получил в 1926 году свое знаменитое уравнение. Он сопоставил движению микрочастицы комплексную функцию координат и времени, которую назвал волновой функцией и обозначил греческой буквой Ψ. Поэтому ее называют также пси-функцией. Она характеризует состояние микрочастицы. Физический смысл волновой функции состоит в следующем: квадрат ее модуля определяет вероятность нахождения частицы → → → в промежутке между точками r и r + d r в промежуток времени → t + dt Точнее величина |Ψ(r , t)|2 является плотностью вероятности или плотностью распределения координат частицы в некотором временном интервале. Уравнение, удовлетворяющее перечисленным требованиям, было сформулировано в 1926 г. Э. Шредингером и называется уравнением Шредингера: 4 (,,,), 2 2 t U x y z t i m Ə Ə Ψ – ∆Ψ + Ψ = ƞ ƞ, где 2π h ƞ = m — масса частицы ∆ — оператор Лапласа. который в декартовой системе координат имеет вид: — мнимая единица, U (x, y, z, t) — потенциальная энергия частицы в силовом поле, в котором она движется, Ψ — искомая волновая функция. Данное уравнение является общим уравнением Шредингера. Его также называют временным (зависящим от времени) уравнением Шредингера. Решением данного дифференциального уравнения Шредингера является функция Ψ (x, y,z,t), вид которой зависит от условия задачи. Общее уравнение Шредингера справедливо для любой частицы (со спином, равным 0), движущейся со скоростью малой по сравнению со скоростью света, т. е. со скоростью u < < c. Оно дополняется условиями, накладываемыми на волновую функцию: 1) волновая функция должна быть конечной, однозначной и непрерывной; 2) производные y Əz Ə Ə Ə ƏΨ Ψ Ψ; ; x должны быть непрерывны; 3) функция 2Ψ должна быть интегрируема; это условие в простейших случаях сводится к условию нормировки вероятностей. В тех случаях, когда частица находится в стационарных потенциальных 93 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен силовых полях (энергия U=U(x,y,z) не зависит от времени), общее уравнение Шредингера можно упростить, исключив зависимость ψ от времени. Шредингер, Эрвин (1887–1961) — австрийский физиктеоретик, один из создателей квантовой механики. Основные работы в области статистической физики, квантовой теории, квантовой механики, общей теории относительности, биофизики. Разработал теорию движения микрочастиц — волновую механику, построил квантовую теорию возмущений — приближенный метод в квантовой механике. За создание волновой механики удостоен Нобелевской премии. 5 Бор, Нильс (1885–1962) — датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики. Лауреат Нобелевской премии по физике. Член Датского королевского общества и его президент с 1939 года. Был членом более чем 20 академий наук мира, в том числе иностранным почетным членом Академии наук СССР. Эйнштейн сказал однажды: «Что удивительно привлекает в Боре как ученом-мыслителе, так это редкий сплав смелости и осторожности; мало кто обладал такой способностью интуитивно схватывать суть скрытых вещей, сочетая это с обостренным критицизмом. Он, без сомнения, является одним из величайших научных умов нашего века». 6 Резерфорд, Эрнест (1871–1937) — английский физик, создатель планетарной модели атома, основоположник ядерной физики. Он был членом Лондонского Королевского общества, а с 1925 по 1930 год — и его президентом. Обладатель Нобелевской премии по химии, которую он получил в 1908 году. 7 ħ = 1,054572 · 10–27 эрг·с Постоянная Планка фигурирует во всех уравнениях и формулах квантовой механики. Она, в частности, определяет масштабы, начиная с которых вступает в силу принцип неопределенности Гейзенберга. Проще говоря, постоянная Планка указывает нам нижний предел пространственных величин, после которого нельзя не принимать во внимание квантовые эффекты. Для песчинок, скажем, неопределенность произведения их линейного размера на скорость 8 94 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Примечания настолько незначительна, что ею можно пренебречь. Иными словами, постоянная Планка проводит границу между макромиром, где действуют законы механики Ньютона, и микромиром, где вступают в силу законы квантовой механики. Будучи получена всего лишь для теоретического описания единичного физического явления, постоянная Планка вскоре стала одной из фундаментальных констант теоретической физики, определяемых самой природой мироздания. Фарадей, Майкл (1791–1867) — английский физик-экспериментатор, химик, создатель учения об электромагнитном поле. Он открыл электромагнитную индукцию, являющуюся основой промышленного производства электричества и применения в современных условиях. 9 Зона с наибольшей энергией, в которой для данного вида атомов разрешено существование электронов, называется валентной, а следующая за ней — проводимости. 10 Благодаря своей двумерной структуре графен обладает большей проводимостью, чем медь. В таких высококачественных материалах, как графен, электроны способны перемещаться на микронные расстояния без рассеивания. Такой баллистический режим потока электронов как раз и обеспечивает высокую проводимость графена. 11 Раньше считалось, что графен не реагирует с газами из-за своей чрезвычайно высокой инертности. Оказалось, что, хотя химические связи и не образуются и структура графена не нарушается, газы детектировать можно — при взаимодействии их с графеном происходит перемещение электронов, которое можно зарегистрировать по электропроводности графена. Д-р Новоселов считает, что с помощью графенов можно регистрировать отдельные молекулы, т. е. достичь предельной чувствительности датчиков газа. Нынешние приборы имеют чувствительность в миллионы раз хуже. 12 Флюорографен — полностью фторированный графен — мономолекулярная пленка, которая по своим качествам (в том 13 95 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Просто графен числе химической инертности и термической стабильности) во многом превосходит тефлон. Флюорографен уступает графену по прочности в 2,5−3 раза. Но по сравнению с другими материалами (например, конструкционной сталью и тефлоном) он демонстрирует превосходные механические свойства. При этом пленка флюорографена довольно упруга и прозрачна для видимого света. Новый материал химически инертен и стабилен при температурах до 400 °C. Он также является прекрасным диэлектриком, что открывает перспективы его использования в качестве туннельного барьера в составе гетероструктур (например, в качестве «прослойки» между двумя слоями графена). Впрочем, по словам Андрея Гейма, чтобы можно былого говорить о практическом применении в электронике, свойства флюорографена необходимо улучшить, но он вполне может быть востребован в других областях. Графеном заинтересовался не только технологический мир, но и мир моды. Так, компания Vollebak специализирующаяся на инновационных и провокационных hi-tech аксессуарах и технологиях для уличной одежды, выпустила куртку из графена. Графеновое волокно ученые пока не разработали, поэтому в куртке просто присутствует графеновое напыление толщиной в нанометры, как и положено передовому материалу, который сохранит все свои чудесные свойства: сверхпроводимость, сверхпрочность, сверхустойчивость к агрессивным средам и т. д. Vollebak сконструировала двухстороннюю куртку Graphene Jacket из растягивающегося нейлона, покрытого с одной стороны слоем графена. Плюсы от такого графенового покрытия зависят от того, как человек носит куртку. Если оставить ее где-нибудь с источником тепла, а потом надеть графеном внутрь, то одежда будет греть тело. Она также может перераспределить температуру от более теплых частей тела к менее теплым. Графеновый материал также производит меньше влажности при контакте с кожей по сравнению с другими материалами, поэтому она не прилипает к телу. Помимо этого, на графене не могут размножаться бактерии, материал дышит, но одновременно не пропускает воду, что делает ее идеальной для дождливой погоды. Стоимость куртки — 695 долларов США. 14 96 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» СОДЕРЖАНИЕ Введение. Простые решения для большой науки Левитация лягушки и магнитные поля . . . . . . . История графита . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Пятничный эксперимент . . . . . . . . . . . . . . . . От четырех элементов к атомам . . . . . . . . . . . История атома. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Твердые тела и связи между ними . . . . . . . . . . Квантовая реальность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 .6 .9 11 14 16 22 26 Три квантовые возможности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Атом Бора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Орбитали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Дирак и его море . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Электронныe компоненты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 P-N переход в состоянии покоя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Новый материал . . . . . . . . . . . . . . От открытия до Нобеля . . . . . . . . . . Наглядное подтверждение . . . . . . . Удивительные свойства. . . . . . . . . . Электромагнитные поля . . . . . . . . . Сложности в производстве. . . . . . . . Методы получения графена . . . . . . . Удивительная электропроводимость . Квантовый эффект . . . . . . . . . . . . . Суперсила . . . . . . . . . . . . . . . . . . Гиперчувствительность. . . . . . . . . . Аналоги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Дисульфид молибдена . . . . . . . . . . Силицен и дихалькогенид . . . . . . . . Ультратонкий мир . . . . . . . . . . . . . Транзисторы . . . . . . . . Чипы . . . . . . . . . . . . . Графеновые наноленты . Cолнечные батареи. . . . Гибкие дисплеи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 45 49 51 52 54 55 57 60 63 65 66 68 69 73 73 75 77 81 83 Заключение. О дивный новый двумерный мир. . . . . . . . . 85 Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Сборник статей ПРОСТО ГРАФЕН Автор идеи и научный редактор серии «ПРОСТО» Сергей Деменок Переводчик Татьяна Яковлева Редактор Светлана Волкова Корректор Ольга Смирнова Верстка Светлана Шачнева Обложка Юрий Костицин Настоящее издание не имеет возрастных ограничений, предусмотренных Федеральным законом РФ «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» (№ 436-ФЗ). Охраняется законом РФ об авторском праве. Издательство «Страта» 195112, Санкт-Петербург, Заневский пр., 65, корпус 5 Тел.: +7 (812) 320-56-50, 320-69-60 www.strata.spb.ru Подписано в печать 21.12.2018 Тираж 100 экз. Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ГРАФЕН МОЖЕТ ИЗМЕНИТЬ НАШ МИР УЖЕ ЗАВТРА Графен обладает набором исключительных кристаллических и элект­ронных свойств. Выяснилось, что это самый тонкий из когда‑либо полученных материалов — и в то же время самый прочный. Его открытие сулит новые технологии и развитие фундаментальной физики, результатом чего могут стать но‑ вые знания о строении материи. В 2010 году Андрей Гейм и Константин Новоселов стали лауреатами Нобелевской премии по физике за создание этого уникального угле‑ родного материала. В ваших руках совершенно новый формат издания: BitBook — бумажная книга с виртуальной начинкой. У книги BitBook есть собственное пространство в цифровой среде. Мы внедрили QR-коды в контент BitBook. Теперь можно перейти на страницу сайта fractal-chaos.ru, где размещены цветные иллюстрации, видео, программы, игры, дополнительная информация, связанная с книгой, ссылки на web-ресурсы и возможности для получения эксклюзивных данных. Все виртуальные материалы, сопровождающие издания BitBook, возникнут на экране вашего смартфона или планшета, как только вы считаете QR-код. Андрей Гейм Лауреат Нобелевской премии за графен и Шнобелевской — за эксперименты с левитирующей лягушкой. Родился в Сочи, в 1992 году переехал в Европу, гражданин Голландии. Константин Новосёлов Самый молодой из ныне живущих нобелевских лауреатов (39 лет). Уроженец Нижнего Тагила. В 1999 году переехал в Европу. Гражданин Великобритании.