Nobelio premija fizikoje - 2010 • Jurijus Erinas • Mokslo naujienos apie "Elementus" • Fizika, mokslas Rusijoje, nanotechnologijos, Nobelio premijos

Nobelio premija fizikoje – 2010

Pav. 1. 2010 m. Nobelio premijos laureatai fizikoje Andrejus Geimas (kairėje) ir Konstantinas Novoselovas. Nuotrauka iš nobelprize.org

2010 m. Nobelio fizikos apdovanojimai buvo apdovanoti Andre Geim ir Kostya Novoselov iš Mančesterio universiteto už jo novatoriškus eksperimentus su grafine, dvimačio anglies formos. Jų vadovaujama mokslininkų grupė pirmoji sugebėjo gauti grafeną ir jį identifikuoti. Be to, "Heim" ir "Novoselovo" darbai labai prisidėjo prie naujos medžiagos neįprastų savybių ir savybių tyrimo.

Anglies yra tikrai unikalus cheminis elementas. Jis sugeba formuoti įvairesnes chemines struktūras, kurios yra vienmatės grandinės, ciklinės formacijos ir erdviniai junginiai. Ši įvairovė užtikrina, be kita ko, viso pasaulio gyvenimo genetinius kodeksus.

Ilgą laiką buvo žinomi trys pagrindiniai anglies allotropiniai modifikacijos variantai: grafitas, deimantas ir suodžiai (amorfinė anglis). Tačiau nuo praėjusio amžiaus vidurio anglies šeima pradėjo sparčiai augti. Pirma, rasta vienarūšio anglies versijos karbenas ir šešiakampio lansdalelito deimanto versija.1985 m. Buvo atrastos fullerene C molekulės.60 ir jų dariniai Cn (žemas fulerenas – C24, C28, C30, C32, – vidutinis fulerenas – C50, C60, C70, – hyperfullerenes – C76, C78, C82, C84, C90, C96, C102, C106, C110 ir milžiniški fulerenai – C240, C540, C960), vėliau (1996 m.) atrado Nobelio premiją chemijoje. Mažiau nei 10 metų pasaulis sužinojo apie tai, kad egzistuoja cilindrinis anglies modifikavimas – vienmačio viengyslių ir daugiasluoksnių anglies nanovamzdelių. Galiausiai 2004 m. Mokslininkų grupė iš Anglijos ir Rusijos gavo dvimatę anglies – grafeno formą. Tik praėjus 6 metams po šios naujos allotropinės anglies formos atradimo, grupės "Andrejus Geimas" ir Konstantino Novoselovo lyderiai buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija "už novatoriškus eksperimentus su dvejų matmenų grafeno medžiaga".

Kas yra grafenas ir kaip jis buvo aptiktas?

Tegul turime savo žinioje labiausiai paplitusią anglies rūšį – grafitą. Grafitas yra labai anizotropinė medžiaga; jis susideda iš silpnai sąveikaujančių plokščių anglies atomų sluoksnių (2 pav.). Faktas, kad ryšys tarp atominių plokštumų yra silpnas, gali būti pastebimas popieriaus pieštuku pieštuku, kai grafito sluoksniai lengvai pasislenka ir atskiriami, paliekant ant popieriaus pėdsakus.

Pav. 2 Grafenas (aukščiausia nuotrauka) yra 2D (dvimatis) statybinė medžiaga kitiems anglies alotropiniams modifikacijoms. Jis gali būti sulankstytas į 0D-fulereną (kairėje), susuktų į 1D anglies nanotube (centre) arba dedama į 3D polius, formuojant grafitą (dešinėje) Paveikslas iš A.K. Geimo ir K.S. Novoselovo straipsnio. Grapeeno kilimas Gamtos medžiagos

Tarkime, kad mums kažkaip pavyko "atskirti" vieną atominę plokštumą nuo grafito kristalo. Gautas viengubas anglies atomų sluoksnis yra grafenas (dėl plokščios formos grafenas taip pat vadinamas dvimatėmis alotropinėmis anglies formomis). Taigi galime manyti, kad grafitas yra tokia graphene plokštumų siena.

Grafeno atomai sumontuojami į šešiakampę kristalinę grotelę (pvz., Korių sietą); atstumas tarp kaimyninių atomų yra 0.142 nm. Ši "pakuotė" yra tokia tanki, kad netgi neperduoda mažų helio atomų.

Nors sąvoka "grafenas" kaip vieno grafito sluoksnio pavadinimas buvo palyginti neseniai 1987 m. (Žr. S. Mouras ir kt. Pirmojo etapo grafito interkalacijos junginių su fluoridais sintezė Revue de chimie minérale (1987). ISSN 0035-1032. V. 24. №5. 572-582 p.), Teorinis šios medžiagos savybių tyrimas prasidėjo dar 1947 m. Kanados fizikas Philipas Wallaceas apskaičiavo elektronų judėjimo įstatymą viename grafito sluoksnyje ir nustatė, kad tam tikrose jo dalyse elektronų energijos priklausomybė nuo jų impulso (dispersijos įstatymo) yra linijinė (daugiau apie tai žr.skyriuje "Grafeno savybės"). Tačiau iki 2004 m. Grafenas nebuvo įmanomas. Pagrindinė eksperimentų atlikėjų keliama kliūtis buvo neįmanoma stabilizuoti grafeno formos. Dėl noro sumažinti paviršiaus energiją, jis susilieja, transformuojasi į įvairius alotropinius anglies modifikacijas – fulerenus, nanovamzdžius ir amorfinę anglį. (Kai bandote ištiesinti, elgsis kažkas panašaus į popieriaus lapą.)

Mokslininkai nepritarė autoritetingų teorinių fizikų Rudolfui Peierlsui ir Levui Landau'ui, kuris daugiau nei prieš 70 metų paskelbė, kad optimizmo dvimatis kristalų forma negali laisvai egzistuoti, nes atomų perkėlimas į šilumos svyravimus yra toks didelis, kad jis bus destabilizuojamas kristalinės grotelės ir jos suskaidymas į atskiras dalis.

Moksleivių siaubingiausia buvo straipsnis "Elektros lauko įtaka atominės anglies pluoštuose", paskelbtas 2004 m. Spalio mėn. Žurnale Mokslaskurioje mokslininkų grupė iš Mančesterio universiteto ir Inžinierius mikroelektronikos technologinių problemų Černogolovkoje vadovaujama Andrejus Geimas ir Konstantinas Novosyolovas pranešė apie sėkmingą grafito stabilizavimą.Šiame darbe jie apibūdino grafeno gavimo būdą ir jo identifikavimą kaip tikrai vieną grafito sluoksnį. Neįtikėtina, mokslininkai grafinę sintezę naudojo įprastine juostele. Laikui bėgant jie įstrigo šlifavimo juostą ant pirolizės grafito plokštės paviršiaus, o tada išstumia, kartodama procedūrą, kol grafitas tampa visiškai plonas.

Po manipuliavimo su scotchetu, grafitas buvo perkeltas į oksiduoto silicio substratą. Kadangi kiekvieną kartą, kai lipnios juostos buvo užpildytos skirtingu grafito sluoksnių skaičiumi, grafito plokštė "prie išėjimo" turėjo labai nevienodą storį ir turėjo skirtingą sluoksnių skaičių. Tačiau šiame "reljefiniame" skyriuje buvo tik vienas anglies atomų sluoksnio storis – pageidautinas grafenas (kitiems grafeno sintezės būdams žr. Grafenas: nauji gamybos metodai ir naujausi pasiekimai, Elements, 2008 m. Rugsėjo 30 d.).

Kaip dažnai atsitinka su dideliais atradimais, mokslininkams šiek tiek pasisekė. Faktas yra tai, kad techniškai sunku grafieną aptikti plonoje grafito plokštėje, kurios storis yra nevienodas, naudojant atominius jėgos ir skenuojančius elektroninius mikroskopus. Todėl, norint ieškoti grafito monolito, Geimas ir Novoselovas naudojo įprastą optinį mikroskopą.Silicio oksido substrato (300 nm) storis, ant kurio buvo perkelta plona grafito plokštė, buvo taip gerai pasirinktas, kad dėl šviesos trukdžių skirtingo storio sritys turėjo savo spalvą (3 pav.). Mažiausiai kontrastingos beveik bespalvės zonos atitiko ploniausius plotus. Tarp jų buvo atskleista grafena. Vėliau Geimas, Novoselovas ir jo kolegos, panaudodami atominį jėgos mikroskopą, buvo įsitikinę, kad jų radęs regionas iš tiesų buvo viengubas, ir jį galima pavadinti grafenu.

Pav. 3 Kairėje: Grafito plokštės, kurios storis yra nevienodas, nuotrauka. Atskirų sekcijų storis parodytas tiesiai į nuotrauką (šios vertės buvo gautos naudojant atominį jėgos mikroskopą). Masto ilgis 50 mikronų. Dešinėje: grafeno vaizdas, gautas naudojant atominį jėgos mikroskopą. Juodasis regionas atitinka oksiduoto silicio substrato, tamsiai oranžinė 0,5 nm storio oranžinė sritis yra grafenas, šviesiai oranžinė sritis yra kelių grafeno sluoksnių ir yra 2 nm storio. Vaizdai iš papildomų medžiagų K. S. Novoselovo, A. K. Geim ir kt. Straipsniui. Elektros lauko įtaka aatomiškai plonų anglies pluoštuose Mokslas

Nors pirmųjų graphene kristalų dydžiai buvo maži (apie 1 mikroną), mokslininkai prijungė elektrodus prie surinktų mėginių naudodami specialų įrenginįištirti naujos medžiagos elektronines savybes.

Grafeno savybės

Andrejus Heimo ir Konstantino Novoselovo atradimas sukėlė tikrą grafeno karščiavimą. Tik keletą metų teorininkai ir eksperimentai iš įvairių laboratorijų atliko išsamų graffeno savybių tyrimą (Mančesterio universiteto Heimo ir Novosyolov grupės grupė vis dar išlieka viena iš lyderių šioje srityje).

Beveik iš karto paaiškėjo, kad naujos anglies formos elektroninės savybės iš esmės skiriasi nuo trijų matmenų medžiagų savybių. Konkrečiai, eksperimentai patvirtino teoristų prognozes apie elektronų linijinę dispersiją. Tačiau fizikai žinojo, kad fotonai, be massless dalelės, dauginančios erdvėje esant šviesos spartai, turi panašią energijos priklausomybę nuo impulso. Pasirodo, kad grafonuose esantiems elektronams, pavyzdžiui, fotonams, nėra masės, tačiau judėti 300 kartų lėčiau nei fotonai ir jie turi ne nulinį užpildą. (Norint išvengti nesusipratimo, mes pabrėžiame, kad nulinė elektronų masė yra stebima tik grafeeno srityje. Jei tokį elektroną būtų galima "ištraukti" iš grafeno, jis įgis įprastines savybes.)

Elektroninė sklaidos linijinė teisė, taip pat faktas, kad jie yra fermionai (turi pusę sveikojo skaičiaus sukimąsi), reikalauja naudoti ne lygtis Šriodingerio, kaip kietojo kūno fizika, bet Dirac lygtys grafui apibūdinti. Todėl elektronai grafeenyje vadinami Dirac fermionais, o tam tikros grafeno kristalinės struktūros dalys, kurioms dispersijos įstatymas yra linijinis, yra Dirac taškai.

Kadangi šios elektronų elgesio ypatybės dvimatėje anglies atmosferoje yra būdingos reliatyvistinėms dalelėms (kurių judėjimo greitis yra artimas šviesos greičiui), Grapeene tampa įmanoma eksperimentiniu būdu modeliuoti kai kuriuos didelės energijos fizikos (pvz., Kleino paradokso) efektus, kurie paprastai yra tiriami įkrautų dalelių greitintuvuose . Todėl graftenas yra juokingas, vadinamas "darbastaliu CERN" (CERN yra Europos branduolinių tyrimų centras, "Big Hadron Collider" veikia pagal savo iniciatyva).

Makroskopiniame skalėje linijinio dispersijos įstatymas lemia tai, kad grafenas yra pusmetalas, ty puslaidininkis su nulinio juostos atotumi, o jo laidumas normaliomis sąlygomis yra ne mažesnis nei vario.Be to, jo elektronai yra labai jautrūs išorinio elektrinio lauko poveikiui, todėl teoriškai krepšelio greitis esant grafnei kambario temperatūroje gali pasiekti rekordinį lygį – 100 kartų daugiau nei silicis ir 20 kartų didesnis už galio arsenido. Šie du puslaidininkiai kartu su germaniu dažniausiai naudojami kuriant įvairias aukštųjų technologijų prietaisus (integrinius grandynus, diodus, detektorius ir tt), o jų darbo greitį ir efektyvumą lemia tik elektronų mobilumas, tuo didesnis šis kiekis, prietaisai veikia greičiau ir produktyviau.

Grafenas nustatė šilumos laidumo rekordą. Išmatuotas dvipusio anglies šilumos laidumas yra 10 kartų didesnis už vario šilumos laidumą, kuris laikomas puikiu šilumos laidumu. Įdomu tai, kad prieš atradimą graphene geriausio šilumos laidininko pavadinimas buvo kita alotropinė anglies forma – anglies nanovamzdeliu. Grafenas pagerino šį skaičių beveik 1,5 karto.

Aiškumo dėlei mes laikome hipotetinį "graikoną", kurio plotas yra 1 m2. Žinant graffeno paviršiaus tankį (0,77 mg / m2), lengva apskaičiuoti, kad tokia hamakas turi 0,77 miligramų masę. Nepaisant silpnumo, šis hamakas ramiai stovės suaugusiems katėms (sveriantiems apie 4 kg). Nors dėl dvimatis grafeno tvirtumo charakteristikas palyginti ją su kitomis medžiagomis 3D-neteisingai, plieno to paties storio hamakas "kritinis" masė, kuri veda prie plyšimas būtų 100 kartų mažiau. Tai reiškia, kad grafenas yra dviem lygiais stipresnis nei plienas.

Pav. 4 Hipotetinis pavyzdys, rodantis grafito mechaninį stiprumą. Grafeno hamakų plotas 1 m2 (jo masė yra mažesnė už miligramą) gali atlaikyti 4 kg sveriančią suaugusią katę. Palyginimui: to paties ploto plieninis hamakas (jei galėtume padaryti tą patį storį) būtų 100 kartų mažesnis – tik 40 g. Vaizdas iš nobelprize.org

Kalbant apie optines savybes, grafenas sugeria tik apie 2,3% matomos šviesos, neatsižvelgiant į tai, kiek laiko ji spinduliuoja. (Įdomu tai, kad šiose teorinių skaičiavimų 2,3%, išreikšta kalbant apie skaičių π ir smulkios struktūros nuolat alfa produkto, kuri nustato elektromagnetinio sąveikos stiprumą.) Tai reiškia, kad grafeno iš esmės bespalvis (t.y., bus rodomi atsitiktinis stebėtojas,kad nėra grafeno hamako ir katės fig. 4 kyla ore).

Grafeno perspektyvos

Šiuo metu labiausiai aptariamas ir populiarus projektas yra grafeno naudojimas kaip naujas mikroelektronikos "fondas", skirtas pakeisti esamas silicio, germanio ir galio arsenido technologijas (5 pav.). Dėl aukštos mobiliojo mobilumo ir atominio storio grafenas yra ideali medžiaga, sukurianti nedidelius ir greitus lauko efekto tranzistorius – mikroelektronikos pramonės "plytas". Šiuo atžvilgiu verta paminėti 100 GHz tranzistorių paskelbimą iš "Wafer Scale Epitaxial Graphene", kuris pasirodė viename iš vasario žurnalo leidinių Mokslas šiais metais. Šio darbo autoriai, IBM laboratorijos darbuotojai, sugebėjo sukurti grafinio tranzistoriaus, veikiančio 100 GHz dažniu (tai yra 2,5 karto didesnis nei vienodo dydžio tranzistoriaus, pagaminto siliciu, greitis).

Pav. 5 Grafenas laikomas būsimos mikroelektronikos pagrindu. Nuotrauka iš thebigblogtheory.wordpress.com

Grafeno skaidrumo, gero elektrinio laidumo ir elastingumo derinys paskatino idėją jį naudoti kuriant jutiklinius ekranus ir fotoelementus saulės elementams.Eksperimentų metu buvo įrodyta, kad grafeno pagrindu veikiantys prietaisai yra geresni nei beveik visi šiuo metu naudojami indiumalino oksido pagrindu veikiantys prietaisai (ITO).

Norint parodyti, kaip perspektyvus yra grafenas, leiskite mums pateikti toli nuo visiško sričių, kuriose jos naudojimas jau prasidėjo:

  • tai medžiaga elektrodų gamybai ionistoriuose – didelio galingumo kondensatoriai, 1 F (farad) ir dar daugiau;
  • grindžiamas graftenu, sukurtos mikrometrų dujų jutikliai, kurie gali "pajusti" net vieną dujų molekulę;
  • naudojant grafeną mokslininkai atliko DNR seką;
  • kartu su lazeriu grafenas gali būti vėžio gydymo būdas (žr. "Vėžys gydant grafeną ir lazerį", Elements, 2010 m. rugsėjo 7 d.).

Teisingai pažymėtume, kad sėkmės, susijusios su grafeno naudojimu, šiuo metu yra izoliuotos. Pagrindiniai sunkumai susiję su aukštos kokybės nebrangiomis didelio ploto graffeno lakštų, turinčių stabilią formą, sinteze. Nepaisant to, naujausi leidiniai apie grafeną įkvepia tam tikrą optimizmą. Šių metų birželį žurnale Gamtos nanotechnologijos Pasirodė bendras straipsnis iš Korėjos, Singapūro ir Japonijos technologų, kuriuose rašoma apie tai, kad grafeeno lakštai yra 30 colių (72 cm, palyginti su pirmųjų grafteno kristalų mikrometrų dydžiu) metodais, kurie gali duoti dvimatę anglies produkciją. Ir tada, greičiausiai, susilpnės diskusijos, kad 2010 m. Nobelio premija fizikos srityje 2010 m. Buvo skirta grafnei kaip išankstinis mokėjimas ateityje.

Originalus straipsnio nugalėtojus: K. S. Novoselovas, A. K. Geimas, S. V. Morozov, D. Jiang, J. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. Elektros lauko įtaka aatomiškai plona anglies plėvelėse // Mokslas. V. 306. P. 666-669. 2004 m. Spalio 22 d.

Šaltiniai:
1) Andrejus Heimo ir Konstantino Novoselovo grupės leidinių sąrašas Mančesterio universiteto interneto svetainėje (atviros prieigos).
2) Nobelio premija fizikoje – oficiali informacija iš Nobelio komiteto.

Taip pat žiūrėkite:
1) Grafenas – puiki atominė grotelė (PDF, 1.44 Mb) – Nobelio komiteto pranešimas spaudai.
2) Grafenas. Švedijos Karališkosios Karališkosios Akademijos fizikos mokslinis palyginimas (PDF, 1.07 MB) – mokslinis pagrindas.
3) Grafenas: nauji gavimo būdai ir naujausi pasiekimai, "Elements", 2008-09-30.

Jurijus Yerinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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