Скотч вместо коллайдера

Нобелевская премия по физике была присуждена ученым родом из России за исследование графена -- углеродного материала толщиной в один атом. «Это самая великая вещь, когда-либо отслоившаяся от кончика карандаша», -- так назвал недавно графен известный физик и популяризатор науки Дэвид Салтзберг из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса.

Кончик карандаша

История получения графена довольно необычна. Начиная хотя бы с того, что исследования, которые привели к получению этого материала, теоретически находящегося на кончике обычного графитового карандаша, Гейм и Новоселов проводили в свободное от основной работы время. Они называли это исследованиями пятничных вечеров.

Первыми темами пятничных вечеров стали эксперименты с некоей гекко-лентой, имитирующей способности гекконов (ящерицы, способные передвигаться по потолку и стеклу за счет микроскопических волосков на лапках), и исследования по левитации лягушки в электромагнитных полях. За эксперименты по левитации лягушек в 2000 г. Гейм стал лауреатом так называемой Шнобелевской премии. Она присуждается за самые бесполезные с практической точки зрения научные исследования.

В один из пятничных вечеров Гейм и Новоселов решили подробно исследовать особенности электропроводимости углерода. По ходу работ им требовались все более и более тонкие графитовые пластины. Однако ни один из известных ранее науке способов получения микроскопических по толщине пластин к успеху не приводил. Но однажды техник лаборатории университета показал им, как он очищает графит, перед тем как рассматривать его с помощью так называемого туннельного микроскопа. Он очищал материал с помощью обычной клейкой ленты -- скотча. Гейм и Новоселов начали экспериментировать с налипшими на скотч частицами графита и постепенно получили слой толщиной в один атом.

Вместо коллайдера

При физических исследованиях этой тончайшей пластины углерода, в которой его атомы шестиугольной формы выстроены в решетку, как соты, выяснилось, что она обладает такой же электропроводимостью, как медь, и высочайшей теплопроводимостью, как ни один другой материал в мире.

Но самое главное то, что в графене электроны движутся не как бильярдные шары в классической, ньютоновской, физике, отталкиваясь от атома к атому, а как невесомые волны, подчиняясь законам релятивистской физики (изучает явления, происходящие при движении со скоростями, сравнимыми со скоростью света).

Если описать свойства графена научным языком, то в нем обеспечивается так называемый баллистический транспорт электронов, при котором они не рассеиваются на атомах кристаллической решетки и поэтому движутся с огромными скоростями. В результате этого графен дает исследователям возможности, которые существовали ранее только в физике высоких энергий.

«Теперь ученому не нужен ускоритель элементарных частиц. Вы можете ставить эксперименты из области релятивистской физики на обычных лабораторных столах», -- говорит физик Джозеф Стросцио из Национального института стандартов и технологий в Гайтерсбурге. И именно это свойство спровоцировало то научное безумие, которое сейчас творится вокруг графена. У англоговорящих физиков даже появилась новая шутка, которая переводится приблизительно так: «Кому-то нужен адронный коллайдер стоимостью $9 млрд, а кому-то -- лента скотча стоимостью 99 центов». Очень жаль, но, похоже, научная ценность ускорителей элементарных частиц резко снижается. Интересно, что теперь будет с планами строительства новых российских ускорителей?

Последствия

Лауреаты уже опубликовали результаты исследований по созданию графенового полевого транзистора, работающего намного быстрее, чем применяемый сейчас во всех видах электроники кремниевый транзистор, одно из величайших изобретений XX века. И это тоже спровоцировало тысячи научных исследований графена как материала для электроники нового поколения, для сверхмощных процессоров, свето- и фотодиодов. Кроме того, графен абсолютно прозрачен, что позволяет использовать его для развития технологий телевизионных экранов и сенсорных устройств, в современной оптике.

Тонкий, почти невесомый углеродный материал еще невероятно прочен и одновременно пластичен. «Нью-Йорк Таймс», например, так описывает его прочность: если вы накроете пластиной графена кофейную чашку, то этот слой не разобьет даже сила падающего грузовика, сосредоточенная на площади величиной с кончик карандаша. Некоторые американские физики уже говорят о том, что, может быть, именно графен станет материалом для создания проводов, которые свяжут Землю с расположенными на других планетах станциями. Как в романах писателя-фантаста Артура Кларка.

Вполне очевидно, что именно графен станет катализатором в разработке технологий для производства источников возобновляемой энергии: он будет с успехом применяться для производства как солнечных батарей, так и ветряных генераторов. Кроме того, его высокая проводимость разного рода энергий позволит создавать новые электрические сети, в которых потери энергии будут минимальными.

Именно эти три направления и развиваются сегодня наиболее активно в сфере энергоэффективности и энергосбережения. И первой «жертвой» графена, судя по всему, станет атомная энергетика. 2 месяца назад в США появились исследования, которые говорят о том, что стоимость электричества от возобновляемых источников энергии уже сравнялась со стоимостью электричества от атомных станций. Буквально год назад «атомное электричество» стоило гораздо дешевле, чем электричество от ветряков и солнечных батарей.

Графен способен альтернативную энергию сделать еще более дешевой. И это ставит под сомнение перспективы атомной энергетики, что, возможно, заставит и российские власти задуматься, правильно ли они делают, вкладывая огромные средства в развитие мирного атома.

Пока что главный недостаток графена в том, что производится он в очень малых количествах и практически вручную. Но если в ближайшее время удастся наладить его массовое производство, то альтернативная энергетика станет развиваться очень бурными темпами и нам, может быть, посчастливится увидеть, как нефть уходит в прошлое. Как в середине XX века ушли паровые тракторы после изобретения двигателя внутреннего сгорания.

Так что можно сказать, что получившие в России образование ученые преподнесли ей не очень приятный сюрприз.

Остается только надеяться на стремление президента Медведева к модернизации и отказу от «нефтегазовой иглы».