От игнобеля до нобеля

Константин Новоселов признавался, что успех в выделении монослойного графена отчасти связан с обычаем, которого с давних времен придерживается Андрей Гейм: посвящать пятничный вечер всяким забавным экспериментам, проводимым на скорую руку больше из любопытства и ради развлечения, чем с какой-то серьезной целью. За один из таких экспериментов, в котором живая лягушка парила в сильном магнитном поле, Гейм получил в 2000 году Игнобелевскую премию. Эта пародийная премия присуждается «за достижения, которые заставляют сначала засмеяться, а потом задуматься».

Способ получения графеновых листочков тоже вырос из пятничного эксперимента, когда Новоселов подобрал в соседней лаборатории кусок скотча, которым тамошний сотрудник очищал графитовую поверхность: приклеивал к графиту обыкновенный скотч и отдирал его вместе с поврежденными поверхностными слоями. То, что было мусором у соседей, стало объектом пристального изучения.

Гейм с Новоселовым приклеивали кристалл графита к ленте, а потом терпеливо соскребали слой за слоем все лишнее, благо слоистая структура графита этому способствует. В конце концов кристалл становился тонким и прозрачным. Дальше следовало избавиться от клейкой ленты. Для этого ее с прилипшими к ней кусочками графена опускали в ацетон. Когда клейкая лента растворялась, оставалось только избавиться от ацетона, а чтобы драгоценная графеновая пленка не скомкалась, ее переносили на твердую подложку из окисленного кремния. Это была первая в мире  воспроизводимая технология выделения кусочков графена. Затем наступило время детального исследования добытых образцов. И тут с использованием тончайшей аппаратуры Манчестерского университета была поставлена целая серия экспериментов, показавших, что теоретические представления о свойствах графена более или менее верны. Именно за эти работы — выделение и исследование графеновых листов — и была присуждена Нобелевская премия. Причем нельзя не отметить поразительную скорость реакции Нобелевского комитета: от работы до премии прошло всего 5–6 лет. А ведь многим ученым ждать признания приходится долгими десятилетиями.

Графеновая электроника

В море возможных приложений графена электроника неизменно упоминается первой. Отчасти это связано с тем, что быстродействие кремниевых полупроводниковых элементов вплотную приблизилось к теоретическому пределу. Структурная единица любой микросхемы — полевой транзистор, поэтому опыты с новыми материалами начинаются именно с воспроизведения этого прибора. Он состоит из двух полупроводников, соединенных между собой каналом, сопротивление которого меняется в зависимости от электрического поля, создаваемого изолированным от канала электродом — затвором. Графеновый транзистор собирается на графеновой ленте, в которой электроны обладают очень высокой подвижностью. Чтобы затвор мог их запереть, эту ленту в центральной части сужают до двух-трех элементарных шестиугольных ячеек. В таком сужении, выполняющем роль канала, описанного выше, проявляются квантовые эффекты, не наблюдающиеся в пленке бóльших размеров. Благодаря им это сужение обладает способностью менять сопротивление при наложении внешнего электрического поля от затвора. Роль последнего выполняет другая графеновая лента, изолированная от первой. Предельно малые размеры такого транзистора и высокая подвижность электронов в нем теоретически должны обеспечить исключительно высокие частоты запирания и отпирания канала (именно это определяет тактовую частоту микрочипа). Высокая же теплопроводность графена позволяет быстро отводить от такого прибора тепло. Разрабатываются и другие схемы, но все они пока находятся в стадии лабораторных исследований.

От науки к экономике

Один из самых перспективных на сегодня методов — получение графена в виде пленки на поверхности карбида кремния SiC: при нагревании углерод на его поверхности сам образует нужную двумерную структуру, а наличие подложки предохраняет графен от сворачивания в нанотрубку. Этим способом уже удается получать пленки размером до 50 см2. Такие прозрачные электропроводные листы графена могут стать основой для нового поколения экранов. Например, при создании тачскринов самый простой и естественный метод определения координат точки касания — по изменению электропроводности двух соприкасающихся токопроводящих сеток. Однако такие сетки быстро изнашиваются. Использование графена благодаря его необычайной прочности может дать новую жизнь этому методу.

Но, пожалуй, самая захватывающая перспектива — перевод на основу графена микроэлектроники. Разработчики микросхем постоянно соревнуются в уменьшении размеров элементов — электродов, диодов, транзисторов. Это необходимо для создания все более мощных процессоров и все более емких модулей памяти. Сейчас у самых передовых фирм в ходу 32-нанометровая технология. Это значит, что полупроводниковые элементы имеют поперечник в две-три сотни атомов, что близко к теоретическому пределу. К тому же с повышением рабочей частоты электроника начинает сильно греться, и дальнейшей миниатюризации препятствуют трудности теплоотвода. На основе графена благодаря нулевой эффективной массе его электронов удается создавать чрезвычайно быстродействующие устройства. Уже достигнута частота 100 ГГц, и это не предел. При этом высокая подвижность электронов в графене обеспечивает высокую теплопроводность. Так что весьма реалистичной выглядит идея создания высокочастотного (на уровне сотен гигагерц) миниатюрного (всего из нескольких десятков атомов) транзистора с эффективным отводом выделяемого в процессе его работы тепла. Если это будет сделано, производительность процессоров может вырасти в десятки, если не в сотни тысяч раз.

Трудно представить себе что-нибудь более естественное, чем желание авторов дополнить нобелевский диплом еще и патентом на производство графена. Однако, как стало известно буквально несколько дней спустя после стокгольмской номинации, Андрей Гейм отказался от идеи доводить до конца начатую было процедуру патентования. В интервью журналу Nature он рассказал, что однажды на конференции обратился к представителю некой крупной компании с вопросом о спонсорстве. Ответ достоин дословного цитирования: «Мы с интересом следим за графеном, у него может быть долгое будущее. Если по прошествии десяти лет мы сочтем, что он действительно так хорош, как сейчас кажется, то усадим за дело сотню юристов, которые будут писать по сотне патентных заявок в день, и вы потратите остаток своей жизни и весь ВВП своего маленького острова, чтобы с нами судиться». Сам Гейм считает, что это был добрый совет. Современное право не в состоянии защитить открытие отдельно от технологии. А она-то пока еще далека от совершенства и в будущем еще сильно изменится. 

Дмитрий Баюк , Александр Сергеев

Порой нам кажется, что автомобили всегда были такими, как сегодня. Ну разве что дизайн менялся, следуя за модой. Но стоит попробовать покататься по нынешним дорогам на машинах 20-х и 30-х годов прошлого века, и становится ясно, что они очень сильно отличаются от современных машин. Тем более что такая возможность представилась в связи с 115-летним юбилеем марки Škoda.

Итак, сажусь за руль Škoda 422 родом из далекого 1931 года. Но... почему он справа, я же не в Японии и не в Англии? Оказывается, правило «Едешь справа — руль слева» не всегда было правилом. К моему удивлению, оказалось, что чешские автомобили, всегда ездившие по правой стороне, довольно долго имели и правостороннее управление! Особого смысла или расчета в этом не было, просто казалось, что так удобнее. Разумеется, никаких гидравлических и тем более электрических усилителей: повернуть колеса на стоянке было совсем нелегко, да это и не рекомендовалось в тогдашних учебниках для шоферов. Зато на ходу баранка была легкой, вот только большие люфты в шарнирах и зацеплении требовали постоянного подруливания, чтобы машина не виляла по дороге.