Графен: Нобелевская премия за скотч и карандаш

Что такое графен

Углерод бывает в разных формах. Алмаз: атомы связаны в жёсткую объёмную решётку, поэтому он самый твёрдый природный минерал. Графит в карандашах: атомы уложены слоями, как стопка бумаги, слои легко скользят друг по другу и остаются на бумаге.

Графен это один такой слой. Атомы углерода в нём соединены в шестиугольники, как пчелиные соты, а толщина листа ровно один атом. Если сложить три миллиона листов графена, получится стопка толщиной примерно в миллиметр.

• Прочный: на единицу толщины в десятки и сотни раз прочнее стали.
• Почти прозрачный: пропускает около 98 % света.
• Отлично проводит электричество и тепло, лучше меди.
• Гибкий: его можно растягивать примерно на 20 %.

Как его получили скотчем

Многие физики считали, что такой тонкий лист не может существовать в свободном виде: он скрутится или разрушится. Гейм и Новосёлов работали в Манчестерском университете и устраивали «пятничные эксперименты»: вечерами пробовали странные идеи, не связанные с основной работой.

Одна из таких идей: взять кусочек графита и отклеивать от него слои обычной липкой лентой. Потом сложить ленту, разлепить, снова сложить. С каждым разом слои становятся тоньше. Затем ленту прижимали к кремниевой пластинке с тонким слоем окисла, и под микроскопом можно было найти чешуйки толщиной в один атом. На такой подложке они даже чуть меняют цвет, поэтому их видно.

В 2004 году учёные опубликовали статью в журнале Science. Они не только получили графен, но и измерили его удивительные электрические свойства. Через шесть лет пришла Нобелевская премия по физике «за новаторские эксперименты с двумерным материалом графеном». Это очень быстро по нобелевским меркам: часто открытия ждут награды десятилетиями.

Два выпускника Физтеха

Андрей Гейм родился в 1958 году в Сочи, вырос в Нальчике, окончил МФТИ и работал в институте в Черноголовке. Константин Новосёлов родился в 1974 году в Нижнем Тагиле, тоже окончил Физтех. Он был аспирантом Гейма в Нидерландах, а затем переехал за ним в Манчестер.

Новосёлову в 2010 году было 36 лет. Он стал одним из самых молодых лауреатов по физике за несколько десятилетий.

Лягушка в воздухе

У Андрея Гейма есть ещё одна знаменитая награда. В 2000 году он получил Шнобелевскую премию, шуточную награду за исследования, которые сначала смешат, а потом заставляют думать. Он заставил живую лягушку парить в воздухе внутри очень сильного магнита: вода в теле лягушки слабо отталкивается от магнитного поля, и в достаточно сильном поле этого хватает, чтобы преодолеть вес. Гейм единственный человек, получивший и Нобелевскую, и Шнобелевскую премии. Подробнее в статье о Шнобелевской премии.

Где графен сегодня

Вокруг графена было много шума: обещали гибкие телефоны, сверхбыстрые компьютеры и лифт в космос. Многое пока остаётся в лабораториях, потому что делать большие и чистые листы графена дорого и трудно. Но кое-что уже есть:

• добавки в спортивный инвентарь: теннисные ракетки, велосипедные рамы, шлемы;
• краски и покрытия, которые защищают металл от ржавчины;
• датчики, которые замечают отдельные молекулы газа;
• электроды для аккумуляторов и суперконденсаторов;
• наушники и теплоотводы в электронике.

А главное, графен открыл целый класс двумерных материалов. Учёные научились получать другие вещества толщиной в один-два атома и складывать их, как бутерброд, получая материалы с заданными свойствами.

Опыт с карандашом

Графен дома не получить, но проводимость графита проверить можно. Нарисуйте мягким карандашом (2B–6B) жирную полосу на бумаге. Подключите к её концам батарейку и маленький светодиод через провода. Если полоса широкая и короткая, светодиод может слабо засветиться: ток идёт по графиту.

Используйте только батарейку на 1,5–9 В и не замыкайте её напрямую. Опыт с сетевым напряжением делать нельзя.

Частые вопросы