Premiul Nobel pentru Fizică - 2010 • Yuri Yerin • Stiri despre "Elemente" • Fizica, Știința în Rusia, Nanotehnologia, Premiile Nobel

Premiul Nobel pentru Fizică – 2010

Fig. 1. Câștigătorii Premiului Nobel pentru fizică pentru anul 2010 Andrei Geim (în stânga) și Konstantin Novoselov. Fotografie de la nobelprize.org

Premiul Nobel pentru Fizică 2010 a fost acordat lui Andre Geim și lui Kostya Novoselov de la Universitatea din Manchester pentru experimentele sale inovatoare cu grafen, o formă bi-dimensională de carbon. Grupul de oameni de știință condus de ei a fost primul care a reușit să obțină grafen și să o identifice. În plus, lucrările lui Heim și Novoselov au contribuit în mod semnificativ la studierea proprietăților și caracteristicilor neobișnuite ale noului material.

Carbonul este un element chimic cu adevărat unic. Este capabil să formeze cele mai diverse structuri chimice sub formă de lanțuri unidimensionale, formațiuni ciclice și compuși spațiale. Această diversitate asigură, printre altele, funcționarea codurilor genetice ale întregii vieți pe pământ.

Pentru o lungă perioadă de timp, au fost cunoscute trei modificări alotrope principale de carbon – grafit, diamant și funingine (carbon amorf). Cu toate acestea, de la mijlocul secolului trecut, familia de carbon a început să crească rapid. În primul rând, au fost găsite o versiune unidimensională de carbon a carbinelor și o versiune hexagonală a unui diamant din loncentă.În 1985, au fost descoperite molecule de fulleren C.60 și derivații lor Cn (fullerene joase – C24, C28, C30, C32, – medie de fullerene –50, C60, C70, – hiperfullerenă – C76, C78, C82, C84, C90, C96, C102, C106, C110 și fullerene uriașe – C240, C540, C960), ulterior (în 1996) au adus Premiul Nobel pentru Chimie la descoperitorii lor. În mai puțin de 10 ani, lumea a aflat de existența unei modificări cilindrice a nanotuburilor de carbon cu un singur strat și cu straturi multiple de carbon. În sfârșit, în 2004, un grup de oameni de știință din Anglia și Rusia au obținut o formă bidimensională de carbon – grafen. Și la doar 6 ani de la descoperirea acestei noi forme alotrope de carbon, liderii grupului Andrei Geim și Konstantin Novoselov au primit Premiul Nobel pentru Fizică "pentru experimente inovatoare cu material grafenic bidimensional".

Ce este grafenul și cum a fost descoperit?

Să avem la dispoziție cel mai comun tip de carbon în natură – grafitul. Grafitul este o substanță foarte anizotropă; se compune din straturi plane de atomi de carbon care interacționează slab (figura 2). Faptul că legătura dintre planurile atomice este slabă poate fi observată în procesul de desen cu un creion pe hârtie, când straturile de grafit sunt ușor deplasate și desprinse, lăsând urme pe hârtie.

Fig. 2. Grafen (imaginea de sus) este un material de construcție 2D (bidimensional) pentru alte modificări carbon alotropice. Acesta poate fi pliat în 0D-fulleren (în stânga), răsucite într-o nanotub de carbon 1D (în centru) sau așezate în grămezi 3D, formând grafit (în dreapta). Figura din articolul lui A. K. Geim și K. S. Novoselov Ridicarea grafenului în Materiale naturale

Să presupunem că am reușit cumva să "desprindem" un singur plan atomic de un cristal de grafit. Singurul strat de atomi de carbon care rezultă este grafenul (datorită formei plate, grafenul se numește și forma alotropică bidimensională a carbonului). Deci, putem presupune că grafitul este o stivă de avioane de tip grafen.

Atomii grapeni sunt asamblați într-o rețea cristalină hexagonală (ca o fagure de miere); distanța dintre atomii învecinați este de 0,142 nm. Acest "ambalaj" este atât de dens încât nu trece chiar de atomi mici de heliu.

Deși termenul de "grafen" ca nume pentru un singur strat de grafit a apărut relativ recent, în 1987 (vezi: S. Mouras et al., Sinteza compușilor de intercalare a grafitului în prima etapă cu fluoruri Revue de chimie minérale (1987). ISSN 0035-1032. V. 24. №5. P. 572-582), un studiu teoretic al proprietăților acestei substanțe a început încă din 1947. Fizicianul canadian Philip Wallace a calculat legea mișcării electronilor într-un singur strat de grafit și a constatat că, în anumite părți ale acesteia, dependența energiei electronice de impulsul său (legea dispersiei) este liniară (pentru mai multe detalii, a se vedeaîn secțiunea "Proprietăți Graphene"). Cu toate acestea, până în 2004, nu s-a putut obține grafenul. Principalul obstacol care a stat în calea experimenților a fost imposibilitatea stabilizării formei de grafen. Datorită dorinței de a minimiza energia de suprafață, aceasta coagulează, transformându-se într-o varietate de modificări alotropice de carbon – fullerenuri, nanotuburi și carbon amorf. (Ceva ca o foaie de hârtie laminată se comportă când încerci să o îndrepți.)

Cercetătorii nu au adăugat optimismul declarației fizicienilor teoreticieni autoritari Rudolf Peierls și Lev Landau, făcute acum mai bine de 70 de ani, că forma cristalelor bidimensionale nu poate exista liber, deoarece deplasarea atomilor sub influența fluctuațiilor termice va fi atât de mare încât va destabiliza rețeaua cristalină și dezintegrarea acesteia în părți separate.

Mai surprinzător pentru comunitatea științifică a fost articolul Efectul câmpului electric în filmele subțire cu carbon atomic, publicat în octombrie 2004 în revista științăîn care un grup de oameni de știință de la Universitatea din Manchester și Institutul de Probleme de Tehnologie Microelectronică din Chernogolovka sub conducerea lui Andrei Geim și a lui Konstantin Novosyolov au raportat despre stabilizarea cu succes a grafenului.În această lucrare, au descris metoda de obținere a grafenului și identificarea acestuia ca un singur strat de grafit cu adevărat unic. În mod incredibil, oamenii de știință au efectuat sinteza grafenului folosind o bandă convențională. Odată, au blocat o bandă de scotch pe suprafața plăcii de grafit pirolitic și apoi au dezghețat-o, repetând procedura până când grafitul a devenit complet subțire.

După manipularea cu bandă scotch, grafitul a fost transferat pe un substrat de siliciu oxidat. De fiecare dată când banda adezivă a fost îndepărtată cu un număr diferit de straturi de grafit, placa de grafit "la ieșire" avea o grosime extrem de neuniformă și conținea un număr diferit de straturi. Cu toate acestea, în această "ușurare" a fost o secțiune cu o grosime de exact un strat de atomi de carbon – grafenul dorit (pentru alte metode de sinteză a grafenului, vezi Grafen: Noi metode de producție și progrese recente, Elemente, 30 septembrie 2008).

Așa cum se întâmplă de multe ori cu descoperirile mari, oamenii de știință sunt un pic norocoși. Faptul este că este dificil din punct de vedere tehnic să se detecteze grafenul într-o placă de grafit subțire cu o grosime neuniformă utilizând forța atomică și microscoapele electronice de scanare. Prin urmare, pentru a căuta un monostrat de grafit, Geim și Novoselov au folosit un microscop optic obișnuit.Grosimea substratului de oxid de siliciu (300 nm), la care a fost transferat o placă subțire din grafit a fost ales atât de bine că datorită interferenței porțiunilor ușoare de grosimi diferite au culoarea (Fig. 3). Zonele cel mai puțin contrastante, aproape incolore, corespundeu celor mai subțiri. Era printre ei și grafenul descoperit. Abia mai tarziu, Geim si Novoselov si colegii sai, folosind un microscop cu forta atomica, au fost convinsi ca regiunea pe care au gasit-o a fost intr-adevar un singur strat si ar putea fi numita grafen.

Fig. 3. În stânga: Fotografie a unei plăci de grafit cu grosime neuniformă. Grosimea secțiunilor individuale este prezentată direct în fotografie (aceste valori au fost obținute utilizând un microscop de forță atomică). Lungimea bara de scală 50 microni. În dreapta: imagine de grafen obținută cu un microscop de forță atomică. Regiunea neagră corespunde substratului de siliciu oxidat, regiunea portocaliu închis cu o grosime de 0,5 nm este grafen, regiunea portocalie deschisă conține mai multe straturi de grafen și are o grosime de 2 nm. Imagini din materiale suplimentare pentru articol de K. S. Novoselov, A. K. Geim et al. Efectul câmpului electric în filmele cu carbon subțire subțire în știință

Deși dimensiunile primelor cristale de grafen obținute au fost mici (aproximativ 1 micron), oamenii de știință au conectat electrozi la probele obținute utilizând un dispozitiv specialpentru a studia proprietățile electronice ale noului material.

Graphene Properties

Descoperirea lui Andrei Heim și a lui Konstantin Novoselov a provocat o febră reală de grafenă. În doar câțiva ani, teoreticienii și experimenții din diferite laboratoare au efectuat un studiu cuprinzător al proprietăților grafenului (grupul Heim și Novosyolov de la Universitatea din Manchester rămâne unul dintre liderii acestui domeniu).

Aproape imediat a devenit clar faptul că proprietățile electronice ale unei noi forme de carbon sunt fundamental diferite de proprietățile substanțelor tridimensionale. În special, experimentele au confirmat predicțiile teoreticienilor despre dispersia liniară a electronilor. Dar fizicienii știau că fotonii, particulele fără masa care se propagă în spațiu la viteza luminii, au o dependență similară de energie pe un puls. Sa dovedit că electronii din grafen, ca și fotonii, nu au nici o masă, ci se mișcă de 300 de ori mai încet decât fotonii și au o sarcină diferită de zero. (Pentru a evita neînțelegerile, subliniem faptul că masa zero a electronilor este observată numai în interiorul grafenului. Dacă un astfel de electron ar putea fi "scos" din grafen, atunci el ar dobândi proprietățile obișnuite.)

dispersia liniară a electronilor, și, de asemenea, că acestea sunt fermioni (au o jumătate de rotire integrală), forțele utilizate pentru a descrie nu Grafena ecuația Schrodinger ca în fizica stare solidă, iar ecuația Dirac. Prin urmare, electronii din grafen se numesc ferracții Dirac, iar anumite porțiuni ale structurii cristaline ale grafenului, pentru care legea de dispersie este liniară, sunt puncte Dirac.

Deoarece aceste caracteristici ale comportamentului electronilor într-o bidimensional de carbon particule relativiste inerente (cu o viteză de deplasare aproape de viteza luminii), este posibil prin experiment, pentru a simula o grafen unele efecte ale fizicii de înaltă energie (de exemplu, Klein paradox), care, în condiții normale, sunt investigate în acceleratoare de particule . Prin urmare, grafenul este numit în glumă "desktop CERN" (CERN este Centrul European pentru Cercetare Nucleară, Large Hadron Collider funcționează sub auspiciile sale).

La scară macro dispersie liniară conduce la faptul că grafen este un semimetal, un semiconductor care este o lățime decalaj zero și conductivitatea sa în condiții normale nu este inferior la conductivitatea cuprului.În plus, electronii săi sunt extrem de sensibili la efectele unui câmp electric extern, astfel încât mobilitatea purtătorilor de sarcină în grafenă la temperatura camerei poate atinge teoretic niveluri record – de 100 de ori mai mult decât siliciul și de 20 de ori mai mult decât arsenidul de galiu. Aceste două semiconductoare, împreună cu germaniul, sunt cel mai adesea folosite pentru a crea diverse dispozitive high-tech (circuite integrate, diode, detectori etc.) și, deoarece viteza și eficiența muncii lor este determinată doar de mobilitatea electronilor, dispozitivele funcționează mai rapid și mai productiv.

Grafenul a stabilit o înregistrare pentru conductivitatea termică. Conductibilitatea termică măsurată a carbonului bidimensional este de 10 ori mai mare decât conductivitatea termică a cuprului, considerată un excelent conductor de căldură. Interesant, înainte de descoperirea grafenului, titlul celui mai bun dirijor al căldurii a aparținut unei alte forme alotropice de carbon – nanotubul de carbon. Graphene a îmbunătățit această cifră de aproape 1,5 ori.

Pentru claritate, considerăm un hamac ipotetic din grafen cu o suprafață de 1 m2. Cunoscând densitatea de suprafață a grafenului (0,77 mg / m2), este ușor de calculat că un astfel de hamac are o masă de 0,77 miligrame. În ciuda fragilității aparente, acest hamac va sta liniștit într-o pisică adultă (cântărind aproximativ 4 kg). Și, deși datorită dimensiunii bidimensionale a grafenului este greșită compararea caracteristicilor de rezistență cu alte materiale 3D, pentru o hamac de oțel de aceeași grosime, masa "critică" care duce la rupere ar fi de 100 de ori mai mică. Adică, grafenul are două ordine de mărime mai puternică decât oțelul.

Fig. 4. Un exemplu ipotetic care demonstrează puterea mecanică a grafenului. Graphene zona de hamac de 1 m2 (masa sa este mai mică de un miligram) este capabilă să reziste unei pisici adulte de 4 kg. Pentru comparatie: o hamac de otel din aceeasi zona (daca am putea face aceeasi grosime) ar fi de 100 de ori mai mic – doar 40 g. Imagine de la nobelprize.org

În ceea ce privește proprietățile optice, grafenul absoarbe doar aproximativ 2,3% din lumina vizibilă, indiferent cât timp are radiația pe ea. (Este curios că în calculele teoretice acest 2,3% este exprimat prin produsul numărului π și structura fină constantă α, care determină puterea interacțiunii electromagnetice.) Aceasta înseamnă că grafenul este aproape incolor (adică, unui observator extern parecă nu există un hamac de graphene, iar pisica din fig. 4 atârnat în aer).

Perspective ale grafenului

În prezent, proiectul cel mai discutat și popular este utilizarea Grafenul ca o nouă „temelie“ a microelectronicii, proiectat pentru a înlocui tehnologia existentă bazată pe siliciu, germaniu și arseniură de galiu (fig. 5). Mobilitatea ridicată a taxei cu grosimea atomică a grafen face un material ideal pentru crearea de FETs mici și rapide – „blocuri“ ale industriei microelectronicii. În acest sens, este demn de remarcat publicarea de 100 de tranzistoare GHz de la Wafer Scale Epitaxial Grafenul, care a apărut într-o emisiune din februarie al revistei știință pentru acest an. Autorii acestei lucrări, IBM personal de laborator capabil să creeze tranzistor graphene care funcționează la o frecvență de 100 GHz (care este de 2,5 ori mai mare decât viteza de tranzistor de aceeași mărime produsă pe bază de siliciu).

Fig. 5. Grafenina este considerată ca bază a viitorului microelectronică. Imagine de la thebigblogtheory.wordpress.com

Combinația de transparență, bună conductivitate electrică și elasticitatea grafenului au dus la ideea utilizării sale în crearea de afișaje touch și celule foto pentru celulele solare.În cursul experimentelor, sa demonstrat că dispozitivele de acest fel de tip grafen sunt mai bune decât aproape toți indicatorii dispozitivelor pe bază de oxid de indiu-staniu (ITO) utilizate în prezent.

Pentru a arăta cât de promițătoare este grafenul, permiteți-ne să arătăm departe de o listă completă a domeniilor în care utilizarea sa a început deja:

  • este un material pentru fabricarea de electrozi în ioniști – condensatori cu o capacitate imensă, de ordinul 1 F (farad) și mai mult;
  • pe baza de grafen, sunt create senzori de micrometru de gaz care pot "simti" chiar si o singura molecula de gaz;
  • folosind grafen, oamenii de stiinta au efectuat secventierea ADN-ului;
  • în combinație cu un laser, grafenul poate fi un remediu pentru cancer (vezi o metodă pentru tratarea cancerului cu grafen și laser, Elements, 7 septembrie 2010).

În mod corect, observăm că succesele asociate cu utilizarea de grafen sunt, deocamdată, izolate. Principalele dificultăți constau în sinteza foilor de grafen de înaltă calitate, de o suprafață mare, cu o formă stabilă. Cu toate acestea, publicațiile recente despre grafen, inspiră un anumit optimism. În luna iunie a acestui an în jurnal Natură Nanotehnologia A apărut un articol comun de către tehnologii japonezi coreeni, japonezi și japonezi, în care se scrie despre obținerea coloanelor de grafen cu dimensiunile de 72 cm (cu dimensiunile de micronime ale primelor cristale de grafenie), prin metodele care pot pune în circulație producția de carbon bidimensională. Apoi, probabil, conversațiile pe care Premiul Nobel pentru Fizică 2010 pentru anul 2010 le-a emis grafenului ca pe un fel de plată în avans pentru viitor vor scădea.

Câștigătorii articolului original: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. Efectul câmpului electric în filmele cu carbon subțire atomic // știință. V. 306, pag. 666-669. 22 octombrie 2004.

surse:
1) Lista publicațiilor grupului Andrei Heim și Konstantin Novoselov pe site-ul Universității din Manchester (acces deschis).
2) Premiul Nobel pentru Fizică 2010 – informații oficiale ale Comitetului Nobel.

Vezi și:
1) Grafenul – rețeaua atomică perfectă (PDF, 1,44 Mb) – comunicatul de presă al Comitetului Nobel.
2) Grafen. Comparația științifică a Academiei Regale de Științe (PDF, 1.07 MB) – un fond științific.
3) Grafen: noi metode de obținere și realizări recente, "Elemente", 09/30/2008.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

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