Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki - 2010 • Yuri Erin • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Fizyka, nauka w Rosji, nanotechnologia, nagrody Nobla

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki – 2010

Ryc. 1. Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2010 Andrei Geim (po lewej) i Konstantin Novoselov. Zdjęcie z nobelprize.org

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2010 roku została przyznana Andre Geimowi i Kostii Nowoselowi z Uniwersytetu w Manchesterze za jego innowacyjne eksperymenty z grafenem, dwuwymiarową formą węgla. Grupa kierowanych przez nich naukowców jako pierwsza dostarczyła grafen i zidentyfikowała go. Ponadto prace Heima i Novoselova w znacznym stopniu przyczyniły się do badania niezwykłych właściwości i właściwości nowego materiału.

Węgiel jest naprawdę wyjątkowym pierwiastkiem chemicznym. Jest zdolny do tworzenia najbardziej zróżnicowanych struktur chemicznych w postaci jednowymiarowych łańcuchów, cyklicznych formacji i przestrzennych związków. Ta różnorodność zapewnia, między innymi, funkcjonowanie kodów genetycznych całego życia na Ziemi.

Przez długi czas znane były trzy główne alotropowe modyfikacje węgla – grafit, diament i sadza (amorficzny węgiel). Jednak od połowy ubiegłego wieku rodzina węgla zaczęła szybko rosnąć. Najpierw znaleziono jednowymiarową karbonową wersję karbin i heksagonalną wersję diamentu ldaldalelitowego.W 1985 roku odkryto cząsteczki fulerenu C.60 i ich pochodne Cn (niskie fulereny – C24, C28, C30, C32, – średnie fullereny – C50, C60, C70, – hyperfullereny – C76, C78, C82, C84, C90, C96, C102, C106, C110 i gigantyczne fulereny – C240, C540, C960), następnie (w 1996 r.) przyniosły Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii swoim odkrywcom. W niecałe 10 lat świat dowiedział się o istnieniu cylindrycznej modyfikacji węgla – jednowymiarowych jednowarstwowych i wielowarstwowych nanorurek węglowych. Wreszcie w 2004 r. Grupa naukowców z Anglii i Rosji otrzymała dwuwymiarową postać węgla – grafenu. I zaledwie 6 lat po odkryciu tej nowej alotropowej formy węgla, przywódcy grupy Andrei Geim i Konstantin Novoselov otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki "za innowacyjne eksperymenty z dwuwymiarowym materiałem grafenowym".

Czym jest grafen i jak go odkryto?

Miejmy do dyspozycji najpospolitszy rodzaj węgla w przyrodzie – grafit. Grafit jest wysoce anizotropową substancją; składa się z słabo oddziałujących płaskich warstw atomów węgla (ryc. 2). Fakt, że połączenie między płaszczyznami atomowymi jest słaby, można zaobserwować w procesie rysowania ołówkiem na papierze, gdy warstwy grafitu są łatwo przemieszczane i odłączane, pozostawiając ślad na papierze.

Ryc. 2 Grafen (najlepsze zdjęcie) jest 2D (dwuwymiarowym) materiałem budowlanym do innych modyfikacji alotropowych węgla. Można go złożyć do 0D-fulerenu (po lewej), skręcony do nanorurki węglowej 1D (w środku) lub układane w stosy 3D, tworząc grafit (po prawej). Rysunek na podstawie artykułu A. K. Geim i K. S. Novoselov Wzrost grafenu w Materiały przyrodnicze

Przypuśćmy, że jakoś udało się "oddzielić" pojedynczą płaszczyznę atomową od grafitowego kryształu. Powstała pojedyncza warstwa atomów węgla to grafen (ze względu na płaski kształt grafen nazywany jest również dwuwymiarową allotropową formą węgla). Możemy więc przyjąć, że grafit jest takim stosem płaszczyzn grafenowych.

Atomy grafenu są połączone w sześciokątną sieć krystaliczną (jak plaster miodu); odległość między sąsiednimi atomami wynosi 0,142 nm. To "opakowanie" jest tak gęste, że nie przepuszcza nawet małych atomów helu.

Chociaż termin "grafen" jako nazwa dla pojedynczej warstwy grafitu pojawił się stosunkowo niedawno, w 1987 r. (Patrz: S. Mouras i wsp. Synteza pierwszego etapu interkalacji grafitu związkami z fluorkami // Revue de chimie minérale (1987). ISSN 0035-1032. V. 24. №5. P. 572-582), teoretyczne badania właściwości tej substancji rozpoczęły się już w 1947 roku. Kanadyjski fizyki Wallace Philip obliczane zasadą ruchu elektronów w jednej warstwie grafitu i stwierdzono, że w niektórych obszarach na zależność energii elektronów swojego pędu (dyspersji związku) jest liniowa (więcej na ten temat.w sekcji "Właściwości grafenu"). Jednak do 2004 r. Grafenu nie można było uzyskać. Główną przeszkodą stojącą na drodze eksperymentatorów była niemożność ustabilizowania kształtu grafenu. Ze względu na chęć zminimalizowania energii powierzchniowej, koaguluje, przekształcając się w rozmaite alotropowe modyfikacje węgla – fulereny, nanorurki i amorficzny węgiel. (Coś jak arkusz papieru rolkowego zachowuje się, gdy próbujesz go wyprostować.)

Badacze nie dodali optymizmu do stwierdzenia autorytatywnych fizyków teoretycznych Rudolfa Peierlsa i Leva Landaua, wykonanych ponad 70 lat temu, że dwuwymiarowa forma kryształów nie może istnieć swobodnie, ponieważ przemieszczenie atomów pod wpływem wahań termicznych będzie tak wielkie, że zdestabilizuje się sieć krystaliczna i jej rozpad na oddzielne części.

Bardziej zaskakujące dla społeczności naukowej był artykuł Elektryczny efekt polowy w filmach atomowo-cienkowęglowych, opublikowany w październiku 2004 r. W czasopiśmie Naukaw którym grupa naukowców z Uniwersytetu w Manchesterze i Instytutu Problemów Technologii Mikroelektronicznej w Czernogołowce pod dowództwem Andreja Geima i Konstantina Nowosiłowa informowała o udanej stabilizacji grafenu.W pracy opisali metodę otrzymywania grafenu i jego identyfikację jako prawdziwie pojedynczej warstwy grafitu. Niesamowicie naukowcy przeprowadzili syntezę grafenu za pomocą konwencjonalnej taśmy klejącej. Raz za razem przyklejały taśmę szkocką do powierzchni płyty z pirolitycznego grafitu, a następnie odrywali ją, powtarzając procedurę, aż grafit stał się zupełnie cienki.

Po manipulowaniu taśmą szkocką grafit został przeniesiony na utlenione podłoże krzemowe. Ponieważ za każdym razem taśma samoprzylepna była przenoszona z inną liczbą warstw grafitu, płyta grafitowa "przy wyjściu" miała wyjątkowo nierównomierną grubość i zawierała inną liczbę warstw. Jednak w tej "reliefie" znajdował się odcinek o grubości dokładnie jednej warstwy atomów węgla – pożądany grafen (dla innych metod syntezy grafenu, patrz Grafen: Nowe metody produkcji i najnowsze osiągnięcia, elementy, 30 września 2008 r.).

Jak to często bywa z wielkimi odkryciami, naukowcy mają trochę szczęścia. Faktem jest, że technicznie trudno jest wykryć grafen w cienkiej płytce grafitowej o nierównomiernej grubości przy użyciu siły atomowej i skaningowych mikroskopów elektronowych. Dlatego też, poszukując monowarstwy grafitu, Geim i Nowosełow używali zwykłego mikroskopu optycznego.Grubość substratu tlenku krzemu (300 nm), na którą przeniesiono cienką płytkę grafitu, była tak dobrana, że ​​ze względu na interferencję światła obszary o różnej grubości miały swój własny kolor (ryc. 3). Najmniej kontrastujące, prawie bezbarwne obszary odpowiadały najcieńszym obszarom. Wśród nich odkryto grafen. Dopiero później Geim i Nowosełow i jego współpracownicy, używając mikroskopu sił atomowych, byli przekonani, że region, który znaleźli, jest rzeczywiście jednowarstwowy i można go nazwać grafenem.

Ryc. 3 Po lewej: Zdjęcie płyty grafitowej o niejednolitej grubości. Grubość poszczególnych przekrojów pokazano bezpośrednio na zdjęciu (wartości te uzyskano za pomocą mikroskopu sił atomowych). Długość paska skali 50 mikronów. Po prawej: obraz grafenowy uzyskany za pomocą mikroskopu sił atomowych. Czarny region odpowiada utlenionemu krzemowemu substratowi, ciemnopomarańczowy region o grubości 0,5 nm jest grafenem, jasnopomarańczowy region zawiera kilka warstw grafenu i ma grubość 2 nm. Obrazy z dodatkowych materiałów do artykułu K. S. Novoselov, A. K. Geim et al. Efekt pola elektrycznego w cienkich warstwach węgla w Atomowej Nauka

Chociaż rozmiary otrzymanych pierwszych kryształów grafenu były niewielkie (około 1 mikrona), naukowcy połączyli elektrody z otrzymanymi próbkami za pomocą specjalnego urządzeniado badania właściwości elektronicznych nowego materiału.

Właściwości grafenu

Odkrycie Andreja Heima i Konstantina Nowosełowa wywołało prawdziwą gorączkę grafenową. W ciągu zaledwie kilku lat teoretycy i eksperymentatorzy z różnych laboratoriów przeprowadzili wszechstronne badania właściwości grafenu (grupa Heima i Nowosiłowa na Uniwersytecie w Manchesterze nadal pozostaje jednym z liderów w tej dziedzinie).

Niemal natychmiast stało się jasne, że właściwości elektroniczne nowej formy węgla są zasadniczo różne od właściwości substancji trójwymiarowych. W szczególności eksperymenty potwierdziły przewidywania teoretyków na temat liniowej dyspersji elektronów. Ale fizycy wiedzieli, że fotony, bezmasowe cząstki propagujące w przestrzeni z prędkością światła, mają podobną zależność energii od pulsu. Okazało się, że elektrony w grafenie, podobnie jak fotony, nie mają masy, ale poruszają się 300 razy wolniej niż fotony i ładują się niezerowo. (Aby uniknąć nieporozumień, podkreślamy, że zerowa masa elektronów jest obserwowana tylko w grafenie, a jeśli taki elektron mógłby zostać "wyciągnięty" z grafenu, wówczas uzyskałby on swoje zwykłe właściwości).

Liniowa reguła dyspersji elektronów, a także fakt, że są one fermionami (mają spin pół-całkowity), powoduje, że konieczne jest stosowanie nie równania Schrödingera, jak w fizyce ciała stałego, ale równanie Diraca do opisywania grafenu. Dlatego elektrony w grafenie nazywane są ferrionami Diraca, a niektóre części struktury krystalicznej grafenu, dla którego prawo dyspersji jest liniowe, są punktami Diraca.

Ponieważ te cechy zachowania elektronów w dwuwymiarowym węglu są nieodłączne w relatywistycznych cząstkach (z prędkością ruchu zbliżoną do prędkości światła), możliwe jest eksperymentalne symulowanie w Grafen niektórych efektów z fizyki wysokich energii (na przykład paradoks Kleina), które są zwykle badane w akceleratorach naładowanych cząstek . Dlatego grafen jest żartobliwie nazywany "desktop CERN" (CERN to Europejskie Centrum Badań Jądrowych, Wielki Zderzacz Hadronów działa pod jego auspicjami).

W skali makroskopowej prawo rozpraszania liniowego prowadzi do tego, że grafen jest półmetalem, to jest półprzewodnikiem z zerową przerwą pasma, a jego przewodnictwo w normalnych warunkach nie jest gorsze od miedzi.Co więcej, jego elektrony są niezwykle wrażliwe na działanie zewnętrznego pola elektrycznego, więc mobilność nośników ładunku w grafenie w temperaturze pokojowej może teoretycznie osiągnąć rekordowy poziom – 100 razy więcej niż krzem i 20 razy więcej niż arsenek galu. Te dwa półprzewodniki wraz z germanem są najczęściej używane do tworzenia różnych urządzeń high-tech (układy scalone, diody, detektory itp.), A ponieważ prędkość i wydajność ich pracy jest określona właśnie przez mobilność elektronów, tym większa jest ta ilość, urządzenia działają szybciej i bardziej produktywnie.

Grafen ustanowił rekord przewodnictwa cieplnego. Zmierzona przewodność cieplna dwuwymiarowego węgla jest 10 razy większa od przewodności cieplnej miedzi, uważanej za doskonały przewodnik ciepła. Co ciekawe, przed odkryciem grafenu tytuł najlepszego dyrygenta ciepła należał do innej alotropowej formy węgla – nanorurki węglowej. Grafen poprawił tę wartość prawie 1,5 razy.

Dla jasności rozważamy hipotetyczny hamak z grafenu o powierzchni 1 m2. Znając gęstość powierzchniową grafenu (0,77 mg / m2), łatwo jest obliczyć, że taki hamak ma masę 0,77 miligrama. Pomimo pozornej kruchości, hamak ten spokojnie stanie się dorosłym kotem (ważącym około 4 kg). Mimo, że ze względu na dwuwymiarowych grafenu właściwości wytrzymałościowych porównać je z innymi materiałami 3D nieprawidłowo stali o tej samej grubości hamaka „krytyczna” masa, co prowadzi do zerwania wynosiła 100 razy mniej. Oznacza to, że grafen jest dwa rzędy wielkości silniejszy niż stal.

Ryc. 4 Hipotetyczny przykład pokazujący wytrzymałość mechaniczną grafenu. Powierzchnia hamaka grafenowego 1 m2 (jego masa jest mniejsza niż miligram) jest w stanie wytrzymać dorosłego kota o wadze 4 kg. Dla porównania: stalowy hamak z tego samego obszaru (jeśli moglibyśmy uzyskać tę samą grubość) byłby 100 razy mniejszy – tylko 40 g. Obrazek z nobelprize.org

Jeśli chodzi o właściwości optyczne, grafen absorbuje tylko około 2,3% światła widzialnego, niezależnie od długości promieniowania. (Jest interesujące, że w tych teoretycznych obliczeń 2,3% wyrażone iloczyn Õ liczba i stałej struktury subtelnej a, który określa siłę oddziaływania elektromagnetycznego). Oznacza to, że graphene zasadniczo bezbarwny (to znaczy pojawia się do zwykłego obserwatoraże nie ma hamaka grafenowego, a kotka na fig. 4 wisiały w powietrzu).

Perspektywy grafenu

Obecnie najczęściej omawianym i popularnym projektem jest wykorzystanie grafenu jako nowej "podstawy" mikroelektroniki, zaprojektowanej w celu zastąpienia istniejących technologii opartych na krzemie, germanie i arsenku galu (ryc. 5). Duża mobilność ładunku wraz z grubością atomową sprawiają, że grafen jest idealnym materiałem do tworzenia małych i szybkich tranzystorów polowych – "cegieł" przemysłu mikroelektronicznego. W związku z tym warto zwrócić uwagę na publikację tranzystorów 100 GHz z epitaksjalnego grafenu waflowego, które pojawiły się w jednym z lutowych numerów pisma Nauka na ten rok. Autorom tej pracy, pracownikom laboratorium IBM, udało się stworzyć tranzystor grafenowy pracujący z częstotliwością 100 GHz (jest to 2,5-krotnie więcej niż prędkość tranzystora tego samego rozmiaru wykonanego na bazie krzemu).

Ryc. 5 Grafen jest uważany za podstawę przyszłej mikroelektroniki. Zdjęcie z thebigblogtheory.wordpress.com

Połączenie przezroczystości, dobrej przewodności elektrycznej i elastyczności grafenu doprowadziło do pomysłu użycia go podczas tworzenia ekranów dotykowych i fotokomórek dla ogniw słonecznych.W trakcie eksperymentów udowodniono, że tego rodzaju urządzenia oparte na grafenie są lepsze niż prawie wszystkie obecnie stosowane urządzenia oparte na tlenku indu i cyny (ITO).

Aby pokazać, jak obiecujący jest grafen, podajmy daleko od pełnej listy dziedzin, w których jej zastosowanie już się rozpoczęło:

  • jest materiałem do produkcji elektrod w jonizatorach – kondensatory o dużej pojemności, rzędu 1 F (farad) i więcej;
  • w oparciu o grafen tworzone są czujniki mikrometrowe, które mogą "wyczuć" nawet jedną cząsteczkę gazu;
  • używając grafenu, naukowcy przeprowadzili sekwencjonowanie DNA;
  • w połączeniu z laserem grafen może być lekiem na raka (patrz: Metoda leczenia raka za pomocą grafenu i lasera, Elements, 7 września 2010 r.).

W uczciwości zauważamy, że sukcesy związane z używaniem grafenu są na razie izolowane. Główne trudności tkwią w syntezie wysokiej jakości niedrogich płatów grafenowych o dużej powierzchni, o stabilnym kształcie. Niemniej ostatnie publikacje na temat grafenu budzą pewien optymizm. W czerwcu tego roku w czasopiśmie Nanotechnologia przyrody Pojawił się wspólny artykuł koreańskich, singapurskich i japońskich technologów, w których piszą o uzyskaniu 30-calowych (72 cm, w porównaniu z wymiarami mikrometrycznymi pierwszych grafenowych kryształów) arkuszy grafenowych za pomocą metod, które mogą wprowadzić strumień dwuwymiarowego węgla. Najprawdopodobniej rozmowy, że Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za 2010 r. Na 2010 r. Została wydana grafenowi jako rodzaj zaliczki na przyszłość, zmniejszy się.

Zwycięzcy oryginalnych artykułów: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. Elektryczny efekt pola w filmach cienkowarstwowych Nauka. V. 306. P. 666-669. 22 października 2004 r.

Źródła:
1) Lista publikacji grupy Andrei Heim i Konstantin Novoselov na stronie internetowej Uniwersytetu w Manchesterze (dostęp otwarty).
2) Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2010 – oficjalne informacje od Komitetu Noblowskiego.

Zobacz także:
1) Grafen – idealna krata atomowa (PDF, 1.44 Mb) – komunikat prasowy Komitetu Noblowskiego.
2) grafen. Porównanie naukowe z Królewską Akademią Nauk (PDF, 1,07 MB) – zaplecze naukowe.
3) Grafen: nowe metody zdobywania i najnowsze osiągnięcia, "Elementy", 09/30/2008.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:

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