Нобелевская премия за графен, или 10 лет спустя

Аватар пользователя Нацпроекты

Ровно десять лет назад, во вторник 5 октября 2010 года, в рамках так называемой нобелевской недели были объявлены лауреаты премии по физике. В тот день главная научная премия была присуждена за передовые опыты с первым двумерным материалом — графеном. Для всех нас это событие не могло стать рядовым, так как премию получили россияне, выпускники Московского физико-технического института Андрей Гейм и Константин Новоселов, которые в тяжелые для нашей страны 1990-е годы уехали работать за рубеж. Примечательным это событие стало еще и потому, что открытие нашими учеными удивительных свойств принципиально нового материала было сделано всего за шесть лет до присуждения премии.

О том, как графен повлиял на развитие науки и промышленности и можно ли его назвать материалом будущего — в авторской колонке заместителя директора Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, кандидата физико-математических наук Алексея Арсенина.

Шесть лет до "Нобеля" и "графеновая лихорадка"

Итак, Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию всего спустя шесть лет после открытия свойств графена. Это открытие нельзя назвать запланированным. Изначально Андрей Гейм ставил задачу получения тончайшей пленки графита, настолько тонкой, насколько это возможно. Потратив несколько месяцев на безуспешную полировку графита, ученые по совету одного из коллег воспользовались обычным скотчем. Оказалось, что, отслаивая графит липкой лентой, можно без труда получить чешуйки толщиной всего в несколько нанометров. Однако ученые не остановились на достигнутом и поставили перед собой цель дойти до предельных показателей. Месяцы напряженной работы по 14 часов в сутки без выходных и перерывов привели их к получению пленок графита толщиной один атом (0,335 нм).

В итоге ученые сделали то, что ранее считалось невозможным, и в первой же своей работе продемонстрировали удивительные электронные свойства графена — это изменение сопротивления примерно в 100 раз под действием электрического поля, тогда как для металлов эти изменения не превышали нескольких процентов. Эти первые открытия возбудили в научной среде настоящую "графеновую лихорадку", которая и привела ученых к Нобелевской премии.

Суперматериал для всего

Такая быстрая оценка вклада исследователей — большая редкость. Причиной тому стали не только потрясающие свойства нового материала — высокая электропроводность и рекордная среди всех известных материалов теплопроводность, прочность, гибкость, химическая и термическая стабильность и так далее, но и большие перспективы, которые ученые связывали с применениями графита в электронике, квантовых технологиях, робототехнике, автомобилестроении, авиационной и ракетно-космической технике и даже легкой промышленности. Спектр возможного использования графена до сих пор ширится.

Попробуем ответить на вопрос, который часто задают нобелевским лауреатам: оказались ли оправданными ожидания 10-летней давности?

Однозначного ответа на этот вопрос нет. С одной стороны, мы не ездим на работу на графеновых автомобилях и не летаем в другие города и страны на графеновых самолетах. Хотя нельзя исключить, что такое станет возможным спустя пару десятилетий. Можно вспомнить примеры алюминия и углеродного волокна, которым потребовалось несколько десятилетий, чтобы занять свою нишу в авиации. С другой стороны, за эти годы графен никого не разочаровал. Если в 2010 году еще можно было найти скептиков, то сейчас если они и есть, то предпочитают молчать. Графен всем доказал, что это не "модное" сиюминутное увлечение ученых, а открытие миру принципиально нового класса материалов — двумерных, представляющих собой одну кристаллическую плоскость толщиной всего лишь один или несколько атомов. Пока изделия с двумерными материалами являются экзотикой, но с каждым днем их становится все больше. Покупая теннисную ракетку, спортивный велосипед или смартфон, вы можете и не знать, что их характеристики улучшены использованием двумерных материалов.

"2D ничто" и посткремниевая эра

Рост числа научных публикаций и патентов — одна из задач национального проекта "Наука". Так вот, только по графену за последние 10 лет в ведущих научных журналах опубликовано более 220 тысяч статей и зарегистрировано свыше 50 тысяч патентов. И с каждым годом их число только растет. Ни одна другая область исследований не может конкурировать по этим показателям. Сегодня ученым известны сотни различных двумерных материалов, и лишь малая часть из них в достаточной мере изучена. Удивительно, но несмотря на то что толщина этих материалов не превышает нескольких атомов, они проявляют заметные физические и химические свойства. Используя их, вы не меняете размеры вещей, но меняете их свойства.

В мировой науке слово "графен" упоминается практически так же часто, как слово "квантовый", а это, очевидно, более широкое понятие, чем одна из разновидностей двумерных материалов. В 2016 году графен обогнал по числу упоминаний в ведущих научных журналах такой материал как кремний. Это показательный момент: если не в промышленности, то в науке мы уже перешли в посткремниевую эру, где на первые роли вместо кремния вышли различные двумерные материалы. Более 30% всех публикаций в области нанотехнологий так или иначе связаны с ними. Ученые и инженеры не ограничились открытием и изучением новых двумерных материалов. В последние годы они активно работают над созданием и изучением гибридных структур, так называемых ван-дер-ваальсовых гетероструктур, которые сочетают в себе два и более двумерных материала. Это можно себе представить в виде игры в "Лего" в атомном масштабе, когда из разноцветных пластинок (диэлектриков, полупроводников, полуметаллов) собирается принципиально новый материал. Но и это не все: поворачивая пластинки друг относительно друга на разные углы, также можно изменить свойства суммарного материала. Например, поворачивая два слоя графена на "магический угол", ученым удалось наблюдать сверхпроводимость, которую без поворота ранее не наблюдали.

Если раньше мы ограничивались природными материалами, то теперь научились конструировать новые. Ученые называют их программируемыми квантовыми материалами. Предполагается, что мы сможем создавать искусственные материалы с заданными свойствами, которые требуются для решения конкретной инженерной задачи. Для последних на примере двух повернутых на "магический" угол слоев графена (так называемый скрученный графен) была обнаружена сверхпроводимость. Такие структуры позволяют создавать искусственные материалы с недоступными нам ранее свойствами.

Сегодня ученые пришли к еще более экзотическим материалам. Например, если мы сделаем где-либо полость толщиной в один слой атомов, то это еще один объект для исследований — так называемое "2D ничто", или "2D nothing". Если в случае графена нас интересовала извлекаемая из основного материала плоскость атомов, то здесь нас интересует то, что остается после извлечения. Дело в том, что стенки получаемой полости являются гладкими, атомная структура не нарушается, и нам еще только предстоит узнать, что из себя физически представляет такой объект и как он меняется в зависимости от того, в каком материале сделана полость. Например, для молекул воды в таких полостях в графите наблюдается сверхнизкая вязкость.

Графен и рынок

Коммерческие успехи графена отстают от взрывного роста интереса к нему в науке. Тем не менее, ряд стран сделали ставку на лидерство в графеновой промышленности будущего и вложили миллиарды долларов в научные и инженерные разработки на основе графена. Прежде всего здесь следует упомянуть Китай, США, Южную Корею, Японию, Великобританию, Австралию и Сингапур, а также страны Евросоюза. В этих государствах созданы специализированные исследовательские и инжиниринговые центры, которые во многом стали драйвером для создания малых инновационных компаний, продвигающих передовые разработки на рынок, и питательной средой для таких крупных компаний, как Samsung, Huawei, Xiaomi, Airbus, Boeing, Fiat-Chrysler Automobiles, Siemens и других. Ожидается, что первыми успешными коммерческими продуктами на основе графена станут композитные материалы и функциональные покрытия, графеновые аккумуляторные батареи, печатная электроника на основе графеновых чернил, высокоскоростные фотодетекторы и высокочувствительные биосенсоры.

Первые продукты уже в продаже. Сейчас стало очевидным, что только одни высокоемкие и быстрозарядные аккумуляторные батареи на основе двумерных материалов до неузнаваемости изменят автомобильную промышленность. После 2022 года ожидается появление на рынке гибких и прозрачных солнечных батарей, суперконденсаторов, систем очистки воды, нейроинтерфейсов для обеспечения связи "компьютер-мозг" и гибких электронных устройств.

И все это — далеко не полный перечень разработок на основе графена. Интерес ученых и инженеров к двумерным материалам с каждым годом только растет. Бизнес с энтузиазмом вкладывается в технологические проекты, связанные с этими материалами, поэтому можно считать, что самое интересное нас еще ждет впереди.

Спустя 10 лет после вручения Нобелевской премии нашим соотечественникам мы уже не можем говорить только о графене, как о самом важном, самом известном и упоминаемом двумерном материале. За эти годы ученые и инженеры обнаружили сотни других двумерных материалов. Миру открылась новая вселенная, которая еще требует осмысления, и для этой вселенной нам только предстоит создать свою "таблицу Менделеева". Нет сомнений, что мы еще увидим нобелевские премии за ван-дер-ваальсовы гетероструктуры и новые функциональные материалы.

Авторство: 
Авторская работа / переводика

Комментарии

Аватар пользователя 8К84
8К84(9 лет 7 месяцев)

Тем не менее, ряд стран сделали ставку на лидерство в графеновой промышленности будущего и вложили миллиарды долларов в научные и инженерные разработки на основе графена. Прежде всего здесь следует упомянуть Китай, США, Южную Корею, Японию, Великобританию, Австралию и Сингапур, а также страны Евросоюза.

В списке этого ученого нет России, но внезапно!

Аватар пользователя Alexish
Alexish(9 лет 7 месяцев)

Какой "ученый", такие и приоритеты. 

Аватар пользователя laa
laa(5 лет 1 неделя)

В списке -- страны, вложившие миллиарды; Россия не вложила. 

Аватар пользователя SOnick
SOnick(12 лет 5 месяцев)

Вы не понимаете, это другое.

 

Аватар пользователя ВладиславЛ
ВладиславЛ(5 лет 7 месяцев)

Свои лучшие дисплеи смартфонов Самсунг делает с нашими нанотрубками.

Комментарий администрации:  
***отключен (антигосударственная пропаганда, систематические набросы) ***
Аватар пользователя SergL
SergL(8 лет 3 недели)

Однозвучно, но не однозначно (С)

То, что гордо именуют "графеновой нанотрубкой" - давно известная однослойная нанотрубка.  К плоском графену никакого отношения не имеет.

Аватар пользователя 8К84
8К84(9 лет 7 месяцев)

Для последних на примере двух повернутых на "магический" угол слоев графена (так называемый скрученный графен) была обнаружена сверхпроводимость. Такие структуры позволяют создавать искусственные материалы с недоступными нам ранее свойствами.

Точно не имеет?

Аватар пользователя SergL
SergL(8 лет 3 недели)

Так мы про однослойные говорим, если правильно помню? И, если не трудно, дайте ссылочку на сверхпроводимость - полюбопытствую.

Аватар пользователя 8К84
8К84(9 лет 7 месяцев)

Я процитировал статью. Автор заместитель директора Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, кандидата физико-математических наук Алексея Арсенина.

Ссылки это к нему, наверно на сайте МФТИ можно найти.

Аватар пользователя SergL
SergL(8 лет 3 недели)

Ага, понятно, о разном говорим :-). Вы, похоже, цитируете статью топикстартера. А я комментирую ссылку на чудо-производство "графеновых нанотрубок" в Новосибирске. Там авторы так описывают свой продукт: "Многостенная трубка — это трубка, «свернутая» из графита, — популярно объясняет Юрий Коропачинский, — а одностенная — из графена. Если бы графен был открыт раньше, чем нанотрубки, они бы назывались графеновыми". В общем, много лет известная однослойная нанотрубка.

Аватар пользователя 8К84
8К84(9 лет 7 месяцев)

OCSiAl — крупнейший в мире производитель графеновых нанотрубок, единственная компания, владеющая масштабируемой технологией их промышленного синтеза. Графеновые нанотрубки, или одностенные углеродные нанотрубки, представляют собой свернутые в цилиндр плоскости графена. Они обладают уникальными свойствами — высокой электро- и теплопроводностью, прочностью, соотношением длины к диаметру. При внесении в матрицу материала графеновые нанотрубки создают трехмерную сеть, которая придает материалам проводящие и армирующие свойства. OCSiAl производит нанотрубки под брендом TUBALL™.

Вроде и в Новосибирске про тоже самоё?

Аватар пользователя SergL
SergL(8 лет 3 недели)

Ну да, именно так. Только к графену этот объект никакого отношения не имеет.  ЦИтата: "Однослойные углеродные нанотрубки были впервые получены независимо Иджимой и Ичихаши [5] и Бетюном и соавторами [6] в 1993 г. Несколько ранее российские ученые сообщили об открытии углеродных нановолокон [7], по сути, являвшихся углеродными нанотрубками, однако их длина всего на порядок превышала их диаметр." Графеновыми нанотрубками их стали называть после открытия графена, он стал модным брендом.

Однослойные трубки - очень интересный объект, и как конструкционный материал, и проводимость у них затейливая. Вот только графен - принципиально иной объект, он плоский, фактически - двумерный

Аватар пользователя shed
shed(11 лет 7 месяцев)

--- "Многостенная трубка — это трубка, «свернутая» из графита, — популярно объясняет Юрий Коропачинский, — а одностенная — из графена. Если бы графен был открыт раньше, чем нанотрубки, они бы назывались графеновыми". В общем, много лет известная однослойная нанотрубка.

--- shed: Что же вы стесняетесь цитату дальше продолжить ? Вот её окончание:

----- ... Это разные материалы с совершенно разными свойствами. Между ними такая же разница, как между алмазом и каменным углем, хотя и то и другое состоит из углерода. Многостенная нанотрубка — это маркетинговый обман. Вроде у нас очень похожий продукт, но чуть толще стенки.

Корректно говорить — графеновые и графитовые. Мы делаем трубчатую модификацию графена, из одного атомного слоя. А они не делают.

--- shed: И поэтому свойства одностенных и многостенных нанотрубок настолько разные, что:

----- То, что можно сделать из аморфного углерода, из [наших] нанотрубок получится в сотни раз лучше. Например, добавление в электроды литиевых аккумуляторов порядка 0,01% одностенных нанотрубок увеличивает их емкость на 20%...

Аватар пользователя SergL
SergL(8 лет 3 недели)

Любезный, вы мне про свойства нанотрубок будете рассказывать? Остыньте и перечитайте написанное выше. Дискуссия началась с сожаления об отсутствии в России работ по применению графена. Был приведен аргумент - вона, в Новосибирске его аж килограммами делают, жива российская наука! Смысл моего возражения - там делают одностенные углеродные трубки, известные ужо 27 лет. Формально, такая трубка есть "листочек графена, свернутый в трубочку". По сути это совсем другой объект, мало пересекающийся по свойствам с тем, что ныне понимают под графеном (двумерный объект).  Довольно тривиальный по свойствам. Трубки интересны как конструкционный материал. Байки про +20% к емкости литиевых аккумуляторов - это для лохов, поверьте мне как электрохимику со степенью. А плоский графен - это завораживающий объект, там столько интересного, что просто глаза разбегаются.

Что из написанного вам непонятно и с чем вы пытаетесь спорить?

Аватар пользователя shed
shed(11 лет 7 месяцев)

--- Байки про +20% к емкости литиевых аккумуляторов - это для лохов, поверьте мне как электрохимику со степенью.

Поверил, что ЧСВ у вас зашкаливает.

--- Что из написанного вам непонятно и с чем вы пытаетесь спорить?

Бесполезно спорить с чем-то, твердящим, например, о том, что  "одностенные углеродные трубки известны ужо 27 лет". И не знающим, что за производство этой, всем давно известной ерунды, брались многие известные фирмы с Запада. Но - не осилили сие дело.

А сейчас в мире кроме фирмы Предтеченского, одностенные нанотрубки в сколь либо значимых объёмах делает только одна японская компания. Но лишь около тонны трубок в год и продает по $10 за грамм. Тогда как у новосибирцев, соответственно, 75 тонн и цена в 5-6 раз меньше...

Так что, уймитесь, светоч науки. Если будете продолжать свои набросы, то сперва пойдёте в клетку, а потом - в бан.

 

Аватар пользователя SergL
SergL(8 лет 3 недели)

Давайте поговорим о ЧСВ.  Что вы вообще понимаете в литиевых источниках тока, любезный? Вы хоть раз в жизни видели, что у них там внутри? Как их делают? Какие материалы применяют и для чего? 

Вы в курсе, что углерод (разной степени графитизации) работает на отрицательном электроде - в нем сидят интеркалированные ионы лития. Так вот, масса этого материала - процентов 10-15 от общей массы аккумулятора. Чтобы получить заветные +20% к емкости за счет анодного материала (при сохранении остальной химии) - вам его весь выбросить нужно. Короче - учите матчасть, убогий.

Помнится, году в 2005 такой же клоун делал доклад в питерском физтехе. Рассказывал, как обработка плазмой повышает емкость анодных углеродных материалов. Экспериментальные результаты показывал, с фантастическими цифрами. Спрашиваю его - а вас не смущает, что достигнутая емкость в 2 раза превышает теоретически возможную? Докладчик, глядя честными глазами, отвечает - нет, не смущает. Так и сгинул непризнанный гений. Чего  и вам желаю - не мельтешите перед глазами. Лучше займитесь самообразованием.

Аватар пользователя oalexandrova
oalexandrova(5 лет 3 месяца)

Вы возьмите и совершенно внезапно посмотрите где зарегистрирована компания, и где она собирается строить следующую установку . Ктр, внезапно , в три раза мощнее, чем все, что построено в России.

Это не гордость. Это позор.

Комментарий администрации:  
*** отключен (неуважение к сообществу) ***
Аватар пользователя 8К84
8К84(9 лет 7 месяцев)

Ну и что с этой компанией не так?

OCSiAl — крупнейший в мире производитель графеновых нанотрубок, единственная компания, владеющая масштабируемой технологией их промышленного синтеза. Графеновые нанотрубки, или одностенные углеродные нанотрубки, представляют собой свернутые в цилиндр плоскости графена. Они обладают уникальными свойствами — высокой электро- и теплопроводностью, прочностью, соотношением длины к диаметру. При внесении в матрицу материала графеновые нанотрубки создают трехмерную сеть, которая придает материалам проводящие и армирующие свойства. OCSiAl производит нанотрубки под брендом TUBALL™.

В Новосибирске находятся производственные мощности и научно-исследовательская база компании, а также центр прототипирования материалов и технологий на базе графеновых нанотрубок — TUBALL CENTER. В 2019 году второй TUBALL CENTER был открыт в Шанхае (Китай). Третий TUBALL CENTER планируется открыть в Люксембурге.

Региональные отделения OCSiAl работают в Европе, США, Корее, Китае (Шэньчжэнь, Шанхай), Гонконге и России, представительства — в Мексике, Израиле, Японии, Индии, Австралии, Германии и Малайзии. Помимо собственных офисов и представительств, OCSiAl имеет партнеров и дистрибьютеров в 45 странах.

В OCSiAl работают более 450 сотрудников из 16 стран мира. В научно-исследовательском отделении компании работают более 100 ученых.

Тиражтируют по всему миру свою технологию, которую отработали в Новосибирске. 

Аватар пользователя oalexandrova
oalexandrova(5 лет 3 месяца)

Компания зарегистрирована в Люксембурге. 

Комментарий администрации:  
*** отключен (неуважение к сообществу) ***
Аватар пользователя 8К84
8К84(9 лет 7 месяцев)

И?!

Что это значит?

Их нанотрубки теперь не достаточно "отечественные"? В их нанотрубках слишком много "молекул свободы"?

Или все инженеры и ученые, которые работают в Новосибирске теперь "второго сорта"?

Аватар пользователя ВладиславЛ
ВладиславЛ(5 лет 7 месяцев)

Графен скотчем получали в ФТИ ещё в 1960-70-е годы, называли монослоем, в 1998 придя в ФТИ о том узнал как о СТАНДАРТНОМ и очень простом методе получения монослоёв графита для лабораторной практики.

Заслуга в графеновых одеялах и прочем. В принципе для электродов ХИТ, лазерной техники в т.ч. - высоковольтный конденсатор получен мной в апреле 2020, получение графена и графеносодержащих структур - очень дешёвое занятие.

Комментарий администрации:  
***отключен (антигосударственная пропаганда, систематические набросы) ***
Аватар пользователя DenSkipper
DenSkipper(8 лет 10 месяцев)

А графеновые трубки в виде порошка, что продают и китайцы и наши, он вообще не опасен ли? Ведь сильно мелкие частицы. Если опасен, так о каком массовом применении (они пишут на сайте про упрочнение бетона), можно говорить? Строители не будут одевать защиту, чтоб всыпать в бетон добавки. Опять же, со временем он будет крошиться, графен полетит в воздух.

Аватар пользователя Escander
Escander(5 лет 7 месяцев)

 Спустя 10 лет после вручения Нобелевской премии нашим соотечественникам

Один уже давно голландец, другой с двойным гражданством... причём в виду того, что в РФ не появляется по профдеятельности тоже по большому счёту не гражданин РФ. Никакие они мне не соотечественники (это не восхваление или осуждение - это факт).

Аватар пользователя ЭллиКо
ЭллиКо(4 года 1 неделя)

Что бы стать лауреатом, иногда надо быть долгожителем. Вручают только живым ученым. Самый долгий срок - 32 года между открытием и премией. 

Аватар пользователя baltictea
baltictea(3 года 9 месяцев)

Сразу после вручения премии фонд «Сколково» заявил о готовности предложить физикам работу в России. Господин Гейм крайне скептически отреагировал на это. «Там у вас люди что — с ума посходили совсем? Считают, что если они кому-нибудь отсыпят мешок золота, то можно всех пригласить?» — заявил ученый в интервью радиостанции «Русская служба новостей».

Отсюда. Мда, не очень такой соотечественник.