Найтонший і найміцніший в світі матеріал: як досліджують графен в Україні?

В студії ведуча Міріам Драгіна і доктор фізико-математичних наук Сергій Шарапов.

Міріам Драгіна: Графен – це новий матеріал, який створили у 2004 році. Матеріал унікальний тим, що це шар вуглецю товщиною в один атом. Тонше за нього в принципі важко уявити матеріал. А чим саме він унікальний?

Сергій Шарапов: Головний бум навколо графену давно пройшов. Йде спокійна робота по безлічі напрямків. По тому, щоб графен увійшов в усі застосування, які люди тільки вигадують і пробують. Фактично, головну увагу він привернув, коли за його створення дали Нобелівську премію. Це було у 2010 році.

Міріам Драгіна: Наскільки я знаю, на вас багато посилалися у цій роботі.

Сергій Шарапов: Цитували мої роботи. Нобелівську премію дали тим експериментаторам, які створили графен та довели його надзвичайні властивості. Це були Андрій Гейм та Костянтин Новосьолов.

Міріам Драгіна: І зверталися до ваших робіт.

Сергій Шарапов: Мої роботи у співавторстві були корисні для нобелівських лауреатів. Під час створення графену був період, коли ми з ними активно листувалися. Головне досягнення у тому, що вони його створили і довели надзвичайні властивості. Зокрема, як рухаються електрони. Це дуже цікаво і має відношення до назви вашої передачі з Ейнштейном.

Міріам Драгіна: Що саме незвичайного у русі електронів у графені? Чим це відрізняється від інших матеріалів?

Сергій Шарапов: Тим, що воно описується рівняннями, які мають відношення до фізики елементарних частинок – це рівняння Дірака, яке описує частинки та античастинки, електрони та фазотрони. Виявилося, що графен був однією з систем, в якій на відміну від більшості інших систем напівпровідників, треба використовувати це рівняння. І з цього випливали декілька дуже цікавих властивостей графену.

Міріам Драгіна: Тобто теорія відносності нарешті знадобилася.

Сергій Шарапов: Теорія відносності потрібна навіть для руху супутників і системи глобального позиціонування, де потрібно враховувати відповідні поправки. Про це рідко говорять, коли займаються фізикою твердого тіла. Коли вивчають фізику напівпровідників, згадують рівняння Шредінгера, а це трохи інше. Тут виявилося, що це топ-експеримент. Тому що замість побудови потужних прискорювачів, можна з фундаментальною точки зору можна це досліджувати з допомогою графену.

Міріам Драгіна: Це ви зараз критикуєте великий адронний колайдер?

Сергій Шарапов: Не те щоб критикую. Звісно, між різними галузями фізики є певна конкуренція за кошти. Але дійсно про графен кажуть, що це настільний, набагато дешевший прискорювач. Саме тому що електрони рухаються таким же чином, як вони рухалися б у прискорювачі.

Міріам Драгіна: Як ці процеси впливають на властивості матеріалу? Чим він надзвичайний, корисний?

Сергій Шарапов: Є дуже багато аспектів. Я почав з руху електронів, тому що я з колегами ними займався. А у нього надзвичайні механічні властивості. З точки зору хімії ці сполуки, які створюють одні й ті ж атоми, але будують свої структури по-різному.

З атомів вуглецю можна збудувати структуру, таку як графіт. Це матеріал, який легко розчеплюється. Тому ми користуємось олівцем, але треба не забувати, є ще один родич графіту і графену – це діамант. Один шар вуглецю – це графен. Але хімічні зв’язки там, як у діаманті, тому він дуже міцний. Це дає йому дуже сильні механічні властивості. Просто використання у конструюванні композиційних матеріалів. Постійно з’являється ідея створити предмети на основі графену – від кузова автомобілю до ракетки зробити. З точки зору руху електронів – вони рухаються там легше, ніж у напівпровідниках. Очікується, що наступне застосування буде у мікроелектроніці.

Медіа працюють так, що найбільшу увагу графен притягнув, коли за нього дали нобелівську премію. Зараз продовжується постійна робота. Йдуть цікаві фундаментальні дослідження. Але фокус змістився на його практичне застосування.

Міріам Драгіна: Нобелівську премію дали за винаходження цього матеріалу, тому що це перший приклад застосування теорії відносності у фізиці твердого тіла?

Сергій Шарапов: Формулювання таке: “За створення і формулювання його надзвичайних властивостей”. Фактично, нобелівські лауреати були впевнені, що вони виділили один шар графену. Щоб дослідити там рух електронів, вони зробили перший транзистор з графену і дослідили його властивості.

Міріам Драгіна: Чому саме він корисний? Він надлегкий. В ньому інакше рухаються електрони. Він міцний, його можна використовувати в різних приладах. Є принципова різниця між тими матеріалами, які ми мали досі.

Сергій Шарапов: Принципова – його товщина. Зараз у нього вже з’явилися нащадки. Уяву людей вразило те, що можна виділити один шар матеріалу і робити з ним дослідження.

Міріам Драгіна: Чи його видно?

Сергій Шарапов: Якщо це багатошаровий графен, його можна побачити неозброєним оком. Не так просто, коли він лежить на підкладці з оксиду кремнію завдяки явищу інтерференції. Якщо ж це одношаровий графен, то треба дивитись в мікроскоп, але дійсно його видно. Як у всіх роботах є заслуги тих, хто досліджує і певна вдача. З’ясувалось, що матеріал, на який викладали графен – це оксид кремнію. Цей шар оксиду був певної товщини і саме тому його побачили в мікроскоп. Якщо б він був іншим, його б просто не помітили. Це вдача.

Міріам Драгіна: А так би він був непомітний.

Сергій Шарапов: Так потрібно було б якимось іншим способом його шукати. Є окрема історія, як вони його створили за допомогою скотча. Фактично, використовуючи те, що графіт дуже легко розщеплюється на шари, шматочок графіту приклеїли на скотч, потягнули, і робили так, доки не лишився один шар.