История знаменитого нынче графена началась задолго до того, как британские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов при помощи скотча получили слой углерода толщиной в один атом. Теоретически свойства подобной «чешуйки» пытались определить многие, но первым удалось это группе ученых из украинского института теоретической физики НАНУ под руководством профессора, доктора ф.-м. наук Валерия Гусынина. И когда Гейм и Новоселов стали определять свойства графена, им подсказали, что данная проблема уже решена украинскими теоретиками. Журналист сайта попросил Валерия Гусынина рассказать о своих исследованиях.
— Валерий Павлович, физики утверждают, что ваша научная группа предсказала теоретические свойства графена еще до того, как его экспериментально получили Гейм и Новоселов. Расскажите, пожалуйста, подробней: что вы исследовали, какие результаты получили, и на каком этапе к вам обратились Гейм и Новоселов?
— Моя группа занимается физикой высоких энергий, элементарными частицами. В теории поля мы обнаружили интересный механизм, когда за счет присутствия магнитного поля возникает необычный эффект по генерации массы. Мы его назвали магнитный катализ. Для реализации этого эффекта нужны гигантские поля, которые в земных условиях создать невозможно. С другой стороны, мы определили, что на земле этот механизм можно реализовать в так называемых низкоразмерных структурах. Начали искать подтверждение нашим выкладкам, и обратили внимание на две структуры, где есть частицы, похожие на релятивистские. Это а) среды со сверхпроводимостью и б) графен. Тогда, в начале 2000-х годов, графен еще получен не был. Но теоретические основы его существования были рассмотрены давно, в середине прошлого века, с 1947 года. Мы рассмотрели модель канадского физика Уоллеса и развили ее.
Это была чистая абстракция, никто не верил, что такой материал может существовать. Знаменитый физик Ландау отрицал возможность подобной структуры материала толщиной в один атом. Он брал лист бумаги и показывал, что лист под собственной тяжестью гнулся и обвисал. Но, как оказалось, с графеном ситуация другая. Если тот же лист бумаги скомкать, он становится гофрированным, в нем возникают ребра жесткости.
Нам удалось далеко продвинуться в исследованиях. В 2002 году мы опубликовали в ведущем мировом физическом журнале Physical Review статью с описанием наших теоретических разработок. Суть их была в том, что в слое графита толщиной в один атом, частицы, попавшие в эту структуру, ведут себя не по законам классической физики, а в соответствии с релятивистскими законами. В чем разница? В обычном твердом теле энергия частицы пропорциональна ее импульсу в квадрате. А в релятивистской теории энергия пропорциональна импульсу в первой степени. Именно так, по нашим заключениям, должны были вести себя электроны в графене. Это были совершенно удивительные, неправдоподобные результаты. Благодаря им возникло новое направление в науке — релятивистской физики в твердом теле.
Когда в 2003 году Гейм и Новоселов получили реальный графен, то в первой опубликованной ими работе они давали совсем другую интерпретацию его свойств — исходя из законов физики твердого тела. Не знаю, кто им подсказал обратить внимание на нашу публикацию, но вскоре от Гейма и Новоселова к нам пришло письмо. Они отказались от своей первоначальной трактовки и склонились к нашей, предсказанной в 2002 году. Более того! Нами были предсказаны некие свойства и зависимости, их можно было проверить экспериментально. Гейм и Новоселов провели опыты и убедились в нашей правоте.
Графеновая «колыбель для кошки»
— По описаниям опытов Гейма и Новоселова, они фиксировали графеновую чешуйку на подложке из оксида кремния.
— Да, вначале они получили графен на подложке. Потом присоединили контакты и вытравили подложку, чтобы она не мешала проявлению нужного эффекта. Окись кремния — диэлектрик, она вроде не мешает. Но для чистоты эксперимента от подложки избавились. Чешуйка графена сталась висеть на контактах. И целый ряд опытов показал, что эта частичка имеет совершенно необычные свойства. Среди них были эксперименты, основанные на наших с Сергеем Шараповым теоретических разработках. Они полностью подтвердили наши предсказания. В 2005 году мы опубликовали в Physical Review в одном номере с Геймом результаты наших теоретических исследований по графену. Оказалось, что мы имеем дело с новой сущностью, такой среди материалов еще не было.
— После этих публикаций были другие ваши совместные с группой Гейма работы?
— Да. Мы описали набор базисных свойств, из которых следовало, что электроны в графене ведут себя совершенно иначе, чем в других материалах. Мы изучали, как графеном поглощается свет. И пришли к заключению, что из него можно делать управляемые переключатели: меняя напряжение на электродах, легко управлять прозрачностью материала. Как показал Андрей Гейм, один слой графена поглощает света столько, сколько оконное стекло. С одной стороны, это кажется мало. А с другой, оконное стекло — это миллиарды слоев атомов, в отличие от однослойного графена. И самое важное, что это поглощение можно включать или выключать. В 2007 году были сделаны эксперименты, подтвердившие наши прогнозы. Их провели несколько научных коллективов: та же группа Гейма, потом присоединились российская группа Басова и другие.
— Чем оказались настолько интересны эти чешуйки графита, что вокруг них в мире поднялся такой шум?
— Общее число работ по этой тематике достигло десяти тысяч! А количество ссылок на нашу публикацию 2005 года приближается к пяти сотням. Уже сегодня на базе графена созданы сенсоры, которые могут обнаружить наличие одной молекулы вещества. Их можно использовать для поиска взрывчатки. На графеновую плоскость умудряются «сажать» атомы других элементов, полученные материалы имеют необычные свойства. При помощи графена можно хранить водород — такой материал называется графан. Если же на свободные связи графена «посадить» атомы фтора, можно получить материал с очень большим сопротивлением. Исследователи пробуют на графене все доступные технологи. Так, фирма Самсунг объявила, что в 2012 году собирается сделать сенсорные экраны мобильных телефонов из графена. Графеновая сетка по прочности превышает алмаз, это проверено экспериментально. В нобелевском докладе Гейма приводится пример, что гамак размером метр на метр, сделанный из графена, то есть из сетки толщиной в один атом, выдержит вес кошки.
Может, они вернутся…
— Сакраментальный вопрос: как сейчас работается физикам в Украине?
— Если вы будете на все, что творится вокруг, обращать внимание, то на науку сил и времени не останется. Надо работать, не взирая ни на что. В случае теоретиков это все-таки удается, поскольку нам не настолько нужна дорогая аппаратура. Сейчас для ученых мира существуют прекрасные средства коммуникации: интернет, е-мейл, скайп.
— Насколько наши ученые востребованы в мировом научном процессе?
— Один ученый из нашей группы уехал в США, он там уже профессор. Мы продолжаем переписываться, встречаемся — то здесь, то в Штатах. Говорить о широком фронте физических исследований в Украине, конечно, сложно. Но в отдельных направлениях позиции украинских теоретиков сильные. У меня работает аспирант, он уже получил приглашение в Англию. Для молодых ученых это полезно. Там условия жесткие, конкурентная среда. Может, он потом сюда вернется, обогатившись тамошним опытом. Сами американцы не очень охотно идут в науку, потому что она не дает быстрого обогащения. Поэтому в научные лаборатории принимают много граждан других стран, в том числе из Украины. Они набираются опыта. Потом, возможно, вернутся в Украину, если здесь будут созданы для науки нормальные условия.
— Чем сейчас занимается ваша группа в институте теоретической физики?
— Сейчас особое внимание привлекает двуслойный графен. Он оказывается чем-то вроде конденсатора. Можно также создавать транзисторы толщиной в пару атомных слоев. Мы занимаемся разработкой таких теоретических моделей, где кроме электрического поля включается еще и магнитное. В мире возникает целая область материаловедения, связанная с графеном. Надеюсь, наши результаты будут востребованы.
