Во вторник в Стокгольме были объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике за 2010 год. Ими стали русские физики из университета Манчестера Андрей Гейм и Константин Новоселов. Их главное изобретение — материал под названием графен. Что такое графен, и как его можно использовать? Об этом Новоселов рассказал в интервью Forbes ровно год назад. Ниже — статья из журнала Forbes, вышедшая в октябрьском номере в 2009 году.

Прозрачная голубая полоска на столе работает будильником. Она же показывает расписание на день, в машине развертывается в экран навигатора, на работе превращается в ноутбук, а вечером на ней можно смотреть кино. Авторы ролика об универсальном гаджете будущего, ученые из южнокорейского университета Сонгюнгван убеждены, что он будет создан в ближайшие 10 лет благодаря графену, самому тонкому во Вселенной материалу с уникальными электронными свойствами.

Константин Новоселов демонстрирует как ему удалось получить графен с помощью обыкновенного скотча/

Это будущее приближают десятки лабораторий во всем мире. Путь от фундаментального открытия до практических результатов в случае с графеном преодолевается даже не за годы, а за месяцы. «Год назад я скептически относился к применению графена в электронике, сейчас это становится вполне реальным бизнесом», — говорит автор открытия Константин Новоселов.

Агентство Thomson Reuters в прошлом году сочло графен достойным Нобелевской премии. В список вероятных лауреатов включены Новоселов и его руководитель — Андрей Гейм, директор Центра мезоскопической физики при Манчестерском университете. «Нобелевку» они пока не получили, но их шансы с каждым годом будут расти. Даже удивительно, что материал со столь блестящими перспективами был получен с помощью липкой ленты, которая случайно не попала в мусорное ведро.

Графен представляет собой слой углерода толщиной в один атом. Миллиарды таких слоев образуют графит, из которого делают грифели для карандашей. В возможность отделить один слой никто не верил. Семьдесят лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку.

Графен оказался исключением из этого правила. Гейм и Новоселов обратили внимание на обычный скотч, с помощью которого готовят образцы графита для работы на сканирующем туннельном микроскопе. Скотч отрывает графитные слои, оставляя абсолютно гладкую поверхность. Ленту выбрасывают вместе с тем, что к ней прилипло. «За то, что мы ее подобрали и исследовали, нас обозвали garbage scientists — мусорными учеными», — смеется Новоселов. Склеивая и разлепляя ленту с хлопьями графита несколько раз, Новоселов получил то, что считалось невозможным, — слои графита толщиной в один атом. Их площадь достигала одного квадратного миллиметра: этого более чем достаточно, чтобы перенести графен на подложку и исследовать механические и электронные свойства. В 2004 году в журнале Science вышла эпохальная статья Гейма, Новоселова и их давнего коллеги Сергея Морозова. Свойства — проводимость, прочность, стабильность — оказались уникальными. 

«У графена есть свойства, которых нет ни у одного материала, — говорит Новоселов, — это в буквальном смысле материя, ткань. С ней можно делать то же самое, что вот с этой салфеткой: сгибать, сворачивать, растягивать…» Бумажная салфетка неожиданно рвется у него в руках. С графеном такого не случится, замечает физик, это самый прочный материал на Земле.

Почему в графене видят материал, который вытеснит кремниевую электронику? Электроны в нем перемещаются в сотню раз быстрее, чем в кремнии. В прошлом году Гейм и Новоселов с соавторами показали, что из графена можно делать транзисторы, управляемые отдельными электронами. Все это позволит создать более миниатюрные и быстрые микросхемы, которые и греются намного меньше кремниевых.

Не хотел бы Новоселов заработать на своем открытии? Физик смотрит на меня с недоумением. Для него есть вещи поинтереснее. «Мы заканчиваем исследования задолго до того, как начинается коммерциализация, — объясняет он, — и не пытаемся заниматься технологиями». Представителей компаний, которые обращаются к ним, Гейм и Новоселов обычно отправляют в Graphene Industries — фирму, созданную их студентами. Те вручную делают пластинки графена и поштучно продают в лаборатории IBM, Intel, Samsung.

До 2020 года, по прогнозам исследовательской компании Lux Research, графен не поколеблет основы кремниевой электроники. Но уже сейчас новый материал обходит кремний по флангам, показывая себя в новых приложениях. Например, в сверхбыстрых высокочастотных транзисторах для приемников и передатчиков мобильной связи. «Опытные образцы появились в начале года, а сейчас у них уже наблюдаются рекордные показатели», — говорит Новоселов. Особенно продвинулись в их создании IBM и HRL (близкие к оборонному заказу исследовательские лаборатории, которыми совместно владеют Boeing и General Motors). В конце прошлого года HRL получили грант на 50-месячную программу графеновой электроники, которую координирует SPAWAR — инжиниринговый центр Военно-морского флота США. «Они даже не притворяются, что занимаются физикой, а прямо говорят, что делают приборы», — замечает Новоселов.

Развитие графеновой темы привлекло к ней внимание частных инвесторов. Несколько американских компаний замахнулись на производство сотен тонн графена к концу 2010 года. Такие объемы могут затоварить рынок радиочастотных транзисторов навечно, но производители пока ориентируются не на электронику.

Уже сейчас графен востребован как наполнитель для композитных материалов, говорит гендиректор фирмы XG Sciences Майкл Нокс. Гендиректор фирмы Angstron Materials Бор Джанг предлагает использовать графен в устройствах для хранения энергии — аккумуляторах и суперконденсаторах, а также топливных элементах, которые вырабатывают электроэнергию от соединения водорода с кислородом. Компания Vorbeck Materials продает Vor-ink — «чернила», позволяющие печатать электронные схемы.

Нокс узнал о графене в 2006 году от профессора Мичиганского университета Лоуренса Дрзала, который убедил его в том, что на графене можно хорошо заработать. «Я как раз продал свой предыдущий бизнес и искал какую-нибудь перспективную технологию, — вспоминает Нокс. — С тех пор ажиотаж вокруг графена непрерывно растет».

Джанг — пример ученого-предпринимателя, словно сошедший со страниц брошюры о коммерциализации технологий. С 2005 года он декан Колледжа технических и компьютерных наук при Университете Райта. Старт его компании Nanotek Instruments в 1997 году обеспечили гранты Министерства энергетики США. Затем от Nanotek отпочковалась Angstron. Свой первый патент, связанный с графеном, Джанг заявил еще в 2002-м — за два года до революционной работы русских физиков. «Их заслуга в том, что они первыми обнаружили необычные электронные свойства изолированных листов графена», — объясняет Джанг. К 2015 году он скромно планирует занять 30–40% мирового рынка графена, а еще раньше — провести IPO или продать компанию крупному инвестору. Vorbeck уже обзавелась серьезным партнером: для немецкого химического гиганта BASF фирма разрабатывает токопроводящую краску.

Чтобы фундаментальное открытие было применено на практике, оно должно обрасти тысячами изобретений. От создания первого транзистора в 1947 году до распространения интегральных схем, обеспечивших первенство кремниевой электроники, прошло почти два десятилетия. Если графеновая революция пойдет теми же темпами, универсальный гаджет, о котором мечтают южнокорейские исследователи, появится на прилавках самое позднее в 2022 году.

Репортаж из лаборатории Андрея Гейма и Константина Новоселова – нобелевских лауреатов по физике-2010.



Константин Новоселов Фото от manchester.ac.uk.

Сегодня нобелевский комитет объявил лауреатов премии в области физики. Ими стали ученые российского происхождения — Андрей Гейм и Константин Новоселов. Исследователи получили престижную награду за то, что создали в лаборатории новую форму углерода — графен. В 2005 году физики показали эту лабораторию корреспонденту Newsweek Александру Роткину. Оказалось, что знаменитый графен можно получать буквально на коленке.

КонтекстПолная версия репортажа Newsweek из лаборатории Гейма и Новоселова, 2005 год Newsweek выяснил, кто из российских ученых имеет шансы получить Нобелевскую премию в ближайшие годы

....Да Джанг, аспирант Андрея Гейма, высыпает чешуйки чистого графита на обычную липкую ленту, а затем принимается склеивать и разлеплять две ее половинки между собой. Это приходится делать много раз. Вот собственно и вся технология. Затем пленку кладут под мощный микроскоп. Если Да Джанг поработал на совесть, сотрудники лаборатории увидят мельчайшие чешуйки — слои углерода толщиной всего в один атом.

«Не очень технологичная процедура, но нам и не нужны килограммы графена»,— смеется Константин Новоселов. Много графена и не получишь. Один слой — это 0,3 нанометра, в 500 000 раз тоньше человеческого волоса. Получив уникальный материал, ученые теперь исследуют его физические свойства.

Среди прочих в лаборатории Гейма этим занимается украинец Леонид Пономаренко. Выпускник харьковского Института радиоэлектроники приехал в Манчестер всего месяц назад, так что результатами похвастаться пока не может. Он изучает электрические свойства одноатомных пленок из графита. По его словам, из них можно делать супер-транзисторы — строительные элементы микропроцессоров будущего. По сравнению с традиционными они будут быстрее, миниатюрнее и дешевле. Конкурировать с Intel Леонид не планирует: «Наша задача — доказать принципиальную возможность создания такого транзистора». До того, как заняться этим проектом, Леонид работал в Амстердаме. Но там ему не понравилось — слишком уж медленно голландцы работают, а Гейм все время подгоняет, и это здорово.

«Сейчас мы понимаем, что двумерные материалы принесут больше, чем мы ожидали первоначально»,— заявляет Андрей Гейм. Он сравнивает одноатомные слои с полимерами. «Я только что из Африки. 15 лет назад на Килиманджаро не было ни одной пластиковой бутылки. Теперь каждый год с нее снимают по 100 000 штук»,— убеждает меня профессор. Проще перечислить те области, где полимеры сегодня не применяются.

Такая же судьба, по его мнению, ожидает графен. «На его основе люди будут создавать слоистые композитные материалы с любыми нужными свойствами»,—конкретизирует мысль шефа Константин Новоселов. Например, материал, который будет проводником только вдоль своей оси и изолятором поперек. При этом в разных направлениях он будет иметь разную прочность, гибкость, прозрачность. Другой сотрудник лаборатории — Тим Бус изучает возможность использования одноатомных пленок в качестве мембран — тонких проводящих подложек, на которую биологи смогут прикреплять молекулы ДНК и белки и быстро анализировать их свойства.

«Очень перспективное направление, моя мечта», — вздыхает Новоселов. Сам он пока занимается другим — создает из одноатомных слоев углерода химические датчики. Последняя его разработка способна чувствовать всего одну молекулу газа, попавшую на поверхность. Чуть-чуть инженерной работы — и на вооружении служб безопасности появится супернос, который позволит легко находить взрывчатку или наркотики. «Мы получаем столько денег, сколько можем переварить, а больше нам и не надо»,—улыбается Гейм. С момента открытия графена, на его лабораторию начала работать научная репутация. «После публикации первых работ на тему одноатомных слоев мы кинули клич, нам был очень нужен чистый графит», — подводит меня к еще одному столу Константин Новоселов. На нем стоит белое ведерко из Англии, пакетик из Германии, коробочки из Канады и Японии, пара кулечков из Северной Кореи и с Мадагаскара. Их прислали быстро и совершенно бесплатно.

Константин Новоселов рассказал в интервью Newsweek о Физтехе, интернациональной природе науки и о своей лаборатории.





Нобелевскую премию по физике получили выходцы из России - Андрей Гейм и Константин Новоселов. Ученые, работающие в университете Манчестера, создали новую форму углерода – графен. Это пленка толщиной в один атом – идеальный материал для микросхем будущего. Константин Новоселов рассказал Антону Степнову, что много лет заставлял себя не думать о Нобелевской премии.

Как вы узнали о том, что получили премию?

Я разговаривал по скайпу со своим коллегой из Голландии. Мы обсуждали одну из наших новых статей— результаты, графики. В этот момент мне и позвонили из Нобелевского комитета.

Вашего награждения ждали многие эксперты. Они уже который год объявляют вас претендентом на награду. Скажите, это действовало на нервы?

Это очень давило. Разговоры о том, что нам могут дать премию начались два-три года назад. В какой-то момент я не выдержал и решил, что больше не буду обращать на это внимания — не буду ничего читать и обсуждать. Помогло…

Но в глубине души-то наверняка надеялись?

Я изо всех сил старался ни о чем таком не думать.

А теперь? Верите, что стали нобелевским лауреатом?

Выхожу время от времени в интернет, смотрю список на сайте Нобелевского комитета. В такие моменты — верю.

Ваше награждение вызвало в России жаркие дискуссии. Все исследования были проведены за рубежом, на деньги Великобритании. Теперь люди спорят, можно ли считать награду хотя бы немного российской. Что вы сами об этом думаете?

Заслуга России огромна. Я получил образование именно здесь. Физтех — без всяких вопросов лучшая школа. Она помогла мне бесконечно и предопределила результат. Точно так же, как и моя работа в Черноголовке. Там очень сильные физики, с которыми приятно работать. Знаете, я вот что хотел бы отметить. Наука по своей природе интернациональна. Ни один серьезный результат просто не может принадлежать какой-то отдельной стране. Это просто абсурд. Любые исследования — всегда сотрудничество. Если составить список людей, с которыми мы вместе работали над графеном, то в нем будут сотни имен. Загляните к нам в лабораторию — там собраны студенты из самых разных стран. Никто не делит их на русских и нерусских.

Следующий вопрос как раз по поводу сотрудничества. Ваши главные работы по графену написаны в соавторстве с Сергеем Морозовым из Черноголовки. А он премию не получил…

Так совпало, что Сергей сейчас как раз с нами в Манчестере. Мы намеренно не затрагиваем эту тему в разговорах. Ничего не могу сказать про решение Нобелевского комитета. Почему-то так получилось…

Куда делись те ?5, профессор Андрей Гейм из Манчестерского университета уже не помнит. Откуда было письмо с купюрой, тоже забыл. Помнит только, что некто Олаф ван Хаарве, настоятель небольшого прихода, интересовался, нельзя ли ему воспарить на глазах у изумленной публики. Так, чтобы публика не знала, как ему это удалось.

«Каковы размеры вашей машины?
- Она меня поднимет в воздух?
- Можно ли спрятать ее под деревянным полом в церкви, а если можно, то не будет ли магнит в машине притягивать железные гвозди?»—спрашивал пресвитер.

?5—это чтобы показать, что человек он серьезный, а всего обещал за чудо-прибор целый миллион. А что, ведь у машины будет не шуточная роль—«способствовать укреплению веры людей в деяния Господни».

Андрей с коллегами из лаборатории нанотехнологий представили, как полноватый пастор в разгар службы зависает на небольшой высоте и подглядывает за реакцией прихожан, а те, конечно, верят, что это благодать,—посмеялись и отвечать не стали.
У них и не было никогда такой «машины», самая большая заставляла левитировать лягушку. Но и этого хватило, чтобы весь мир обратил внимание на изобретение—магнит с точно рассчитанным вырезом.
После чего манчестерские волшебники левитацию забросили и занялись совсем другим—доказали, например, что человеком-пауком может стать каждый, создали материал толщиной в один атом, написали свои научные работы и оставили все это другим ученым и «стервятникам»—тем, кто будет превращать их открытия в коммерческие материалы и механизмы.
А сами взялись покорять природу на других направлениях.

«Как правило, каждой темой у нас занимаются не более 5 лет, а затем перескакиваем в другую область науки»,—рассказывает Андрей Гейм.
В Манчестере он как раз 5 лет. Британское правительство забеспокоилось, что наука на северо-западе страны развивается слишком медленно, выделило местному университету 23 млн и попросило найти ученого, который мог бы их «грамотно употребить на дело».
Университет поручил это нашему бывшему соотечественнику—Гейму.

«Я собирался отказаться, но они сделали хитрый и неожиданный ход.
- Зная научные достижения моей жены, они предложили ей постоянную позицию доцента в университете вместе со мной, она давно этого хотела»,—вспоминает профессор.

Он моментально собрал команду единомышленников—почти все ключевые места в лаборатории профессора Гейма занимают выходцы из СССР. Сам он, как и большинство коллег, закончил Московский физико-технический институт:
«Против дарвинизма не попрешь, в науке идет процесс естественного отбора.
- Такое образование, как на Физтехе, не получишь ни в Гарварде и ни в Кембридже».
Впрочем, одного престижного диплома мало, вакансий лаборатория давно не объявляет и принимает только по рекомендациям.

Выпускнику Физтеха Косте Новоселову рекомендации не потребовались—с ним Гейм работал еще в Голландии. А 8 лет назад они попробовали решить «детскую» задачку. Никогда не пробовали «склеить» два однополюсных магнита.
Магниты капризничают и норовят оттолкнуться друг от друга. Казалось бы, совсем не сложно заставить один из них летать над другим. Сила тяжести тащит магнит вниз, магнитное поле толкает вверх. Однако магнит всегда падает—как и все другие «немагнитные» предметы.

Штангу, которая лежит в его маленьком кабинете, Костя поднимает сам, а крошечный кусочек графита, который я не сразу заметил, болтается в воздухе над небольшим магнитом с дыркой миллиметра в два.

«Просто больших магнитов у нас здесь нет, но кое-какие чудеса мы можем делать и без них»,—улыбается ученый.
Тщательно рассчитав размеры, в магните можно проделать отверстие и заставить поле искривиться.
«Мы заставляли летать пауков, червяков, каштаны, орехи, шишки, кузнечиков, клубнику, капли воды», — загибает пальцы профессор Гейм.

Но самым красивым и эффектным оказался эксперимент с живой лягушкой.
Она принесла лаборатории Гейма известность далеко за пределами научного сообщества.
Кроме писем вроде того, что написал брат Олаф, приходили и гневные послания—от активистов из природоохранных организаций.
Это при том что рядом с фотографией летающей лягушки ученые предусмотрительно написали «во время эксперимента лягушка не пострадала и счастливо воссоединилась с другими лягушками на биологическом факультете университета».

«Сегодня левитацией в магнитных полях занимаются как минимум несколько лабораторий по всему миру.
- Лягушка—это скорее популярный, чем научный пример»,—рассказывает Новоселов. Популярными среди ученых могут быть опыты в условиях невесомости, для которых сейчас нужно договариваться с Международной космической станцией.
- Мир еще не отошел от летающей лягушки, а Гейм и его команда уже взялись за геккона.

Эта ящерица знаменита тем, что умеет ползать по любым поверхностям под любым углом, хоть по потолку. Ученые изучили особенности строения лап геккона и создали их искусственный аналог.
Они вытравили миллиарды крохотных волосков на пластиковой ленте. Получился универсальный скотч, который липнет ко всему с бешеной силой. Чтобы показать, с какой, ученые вырезали из «растрепанной» ленты кусочек размером 3х3 мм, прикрепили его к руке увесистой 20-сантиметровой игрушки Человека-паука и надолго приклеили его к потолку.

«Мы доказали принципиальную возможность создания такой ленты, все остальное не наше дело»,—говорит Константин Новоселов.
И технологии массового производства суперлипучки ученые разрабатывать не стали, а «прыгнули» в новую область—двумерные материалы.
В прошлом году профессор Гейм заявил, что ему удалось создать первую в мире пленку графита толщиной всего в один слой атомов. А месяц назад ученые научились получать двумерные одноатомные пленки из других материалов: сверхпроводников, изоляторов и полупроводников.

Один слой—это 0,3 нанометра, в 500 000 раз тоньше человеческого волоса. Новый материал назвали «графен» и изготовляют его как-то тупо. На клейкую ленту аспирант лаборатории Да Джанг высыпает чешуйки чистого графита, а затем принимается склеивать и разлеплять две ее половинки между собой.
Это приходится делать много раз. Затем пленку кладут под микроскопы—оптический, атомно-силовой, сканирующий, электронный. Наконец, если Да Джанг поработал на совесть, на глаза попадается частичка толщиной в один слой, которую на специальном оборудовании переносят на абсолютно гладкую кремниевую подложку, покрытую оксидом кремния.

«Согласен, не очень технологичная процедура, но нам ведь не надо килограммы этих пленок»,— смеется Новоселов. Как и в случае с гекконом, задача ученых—изучить свойства одноатомных материалов.
Среди прочих в лаборатории Гейма этим занимается украинец Леонид Пономаренко. Выпускник харьковского Института радиоэлектроники приехал в Манчестер всего месяц назад, так что результатами похвастаться пока не может. Он изучает электрические свойства одноатомных пленок из графита. По его словам, из них можно делать транзисторы—главные элементы компьютерных процессоров будущего. По сравнению с традиционными они будут быстрее, меньше и дешевле.
Конечно, конкурировать с Intel Леонид не планирует.

«Наша задача—доказать принципиальную возможность создания такого транзистора и изучить его свойства»,—вторит он коллегам.
- До того, как заняться этим важным делом, Леонид работал в Амстердаме.
- Но там ему не понравилось—слишком уж медленно голландцы работают, а Гейм все время подгоняет, и это здорово.

«Сейчас мы понимаем, что двумерные материалы принесут больше, чем мы ожидали первоначально»,—заявляет Андрей Гейм.
Он сравнивает одноатомные пленки с открытием полимеров.
«Я только что из Африки.
- 15 лет назад на Килиманджаро не было ни одной пластиковой бутылки.
- Теперь каждый год с нее снимают 100 000 пластиковых бутылок»,— убеждает меня профессор.
- Проще перечислить те области, где полимеры сегодня не применяются.
- Такая же судьба, по его мнению, ожидает одноатомные пленки.
- «На основе наших пленок люди будут создавать слоистые композитные материалы с любыми нужными свойствами»,— конкретизирует мысль шефа Константин Новоселов.

Например, материал, который будет проводником только вдоль своей оси и изолятором поперек. При этом в разных направлениях он будет иметь разную прочность, гибкость, прозрачность.
Да мало ли какой «бутерброд» можно слепить из этих пленочек!
А аспирант Тим Бус изучает возможность использования одноатомных пленок в качестве мембран—тонкой проводящей подложки, на которую биологи будут прикреплять молекулы ДНК и протеины. По словам ученых, это сулит прорыв в изучении белков.

«Очень перспективное направление, моя мечта»,—вздыхает Новоселов.
Сам он занимается другим—создает из одноатомных пленок датчики. Последняя его разработка способна чувствовать всего одну молекулу газа, попавшую на поверхность. Чуть-чуть инженерной работы — и на вооружении служб безопасности появится супернос, который будет улавливать все запахи вне зависимости от их концентрации.

Конечно, каждый такой проект требует больших денег. И, как ни странно, с этим не возникает никаких проблем — на каждое новое исследование манчестерские ученые получают хороший грант.
«Мы получаем столько денег, сколько можем переварить, а больше нам и не надо»,— улыбается Гейм.
- В середине 90-х он об этом мог только мечтать. Тогда профессору Университета Амстердама Гейму пришлось выложил кровные 50 гульденов за лягушат—будущих левитаторов, которых ему согласился продать один аспирант.

Сегодня дела обстоят иначе.
«После публикации первых работ на тему одноатомных пленок мы кинули клич, нам был очень нужен чистый графит»,—подводит меня к еще одному столу Константин Новоселов.
На нем стоит белое ведерко из Англии, пакетик из Германии, коробочки из Канады и Японии, пара кулечков из Северной Кореи и с Мадагаскара.
Их прислали быстро и совершенно бесплатно.

Новоселов берется за штангу—«вся жизнь сейчас крутится вокруг этих пленок, на работе с 9 до 9, так что дома заниматься спортом совсем некогда».
Стоящий рядом профессор Гейм добавляет:
«Но все равно мы находим силы на то, чтобы параллельно вести еще два перспективных направления».

Один из них—сугубо фундаментальный, то есть практических результатов от него может и не быть: специалисты изучают вихри, возникающие в сверхпроводниках.
«Не знаю, где еще мне дали бы заниматься подобным»,—ликует Уолтер Эскофье, перебравшийся под крыло к Гейму из Франции.

А второй проект может заинтересовать не только ученых. Речь идет о так называемых левосторонних материалах. Они обладают удивительными свойствами—например, левосторонняя краска позволяет самолетам-разведчикам исчезать с экранов радаров.
Какие возможности это сулит Олафу ван Хаарве, нанотехнологи не рассказали—статья о новых материалах сейчас лежит в редакции научного журнала Nature, и пока ее не опубликуют, из ученых не выдавишь и слова.