Nobel-díj a fizikában - 2010 • Yuri Erin • Tudományos hírek az elemekről • Fizika, tudomány Oroszországban, nanotechnológia, Nobel-díjak

Nobel-díj a fizikában – 2010

Ábra. 1. A fizika Nobel-díjának nyertesei 2010-ben Andrei Geim (a bal oldalon) és Konstantin Novoselov. Fotó a nobelprize.org-ból

A 2010-es Nobel-díjat a fizikában Andre Geim és Kostya Novoselov nyerte el a Manchester Egyetemtől, amely innovatív kísérleteket végzett a grafénnel, a kétdimenziós formában. Az általuk vezetett tudósok csoportja elsőként elsajátította a grafén megszerzését és azonosítását. Ráadásul Heim és Novoselov munkája jelentősen hozzájárult az új anyag szokatlan tulajdonságainak és jellemzőinek tanulmányozásához.

A szén egy valóban egyedi kémiai elem. Képes kialakítani a legkülönbözőbb kémiai struktúrákat egydimenziós láncok, ciklikus formációk és térbeli vegyületek formájában. Ez a sokféleség többek között biztosítja a földi élet minden genetikai kódjának működését.

Hosszú idő alatt három fő allotropikus szénmódosítás ismeretes – grafit, gyémánt és korom (amorf szén). A múlt század közepétől azonban a széncsalád gyorsan növekedett. Először is, egy karbid egydimenziós szén-verzióját és egy lonsdalelit-gyémánt hatszögletű változatát találtam.1985-ben fullerén C molekulákat fedeztek fel.60 és származékaik Cn (alacsony fullerének – C24, C28, C30, C32, – átlagos teljeserének – C50, C60, C70, – hiperfullerének – C76, C78, C82, C84, C90, C96, C102, C106, C110 és óriás fullerének – C240, C540, C960), később (1996-ban) a kémiai Nobel-díjat a felfedezőkhöz hozta. Kevesebb mint 10 éve a világ tudott a szén – egydimenziós egyrétegű és többrétegű szén nanocsövek hengeres módosításáról. Végül 2004-ben Angliából és Oroszországból származó tudósok egy csoportja a szén-grafén kétdimenziós formáját nyerte. És mindössze 6 évvel az új allotróp szén-dioxid felfedezését követően Andrei Geim és Konstantin Novoselov vezetői elnyerték a Nobel-díjat a fizikában a "kétdimenziós grafén anyagok innovatív kísérleteire".

Mi a grafén és hogyan fedezték fel?

Legyen a rendelkezésünkre áll a leggyakoribb típusú szén – a grafit. A grafit egy nagyon anizotróp anyag; gyengén kölcsönható sík rétegekből áll (2. Az a tény, hogy az atomok közötti kapcsolat gyenge, a papíron lévő ceruzával történő rajzolás során megfigyelhető, amikor a grafit rétegei könnyedén eltolhatók és leválaszthatók, így nyomot hagyva a papírra.

Ábra. 2. Grafén (top kép) egy 2D (kétdimenziós) építőanyag más szén allotropikus módosításokhoz. Összecsavarható 0D-fullerénbe (a bal oldalon), 1D szén nanocsőbe sodródva (a központban) vagy 3D-s cölöpökbe helyezve, grafitot képezve (a jobb oldalon). Ábra az A. K. Geim és K. S. Novoselov cikkéből A grafén emelkedése 2010 – ben Természetes anyagok

Tegyük fel, hogy valahogy sikerült "egyetlen" atomtáblát "leválasztani" a grafitkristályról. Az így létrejövő egyrétegű szénatomok a grafén (a lapos alak miatt a grafént a kétdimenziós allotróp szénformának is nevezik). Tehát feltételezhetjük, hogy a grafit egy ilyen grafikon sík.

A grafén atomok egy hexagonális kristályrácsba (például méhsejtbe) vannak összeállítva; a szomszédos atomok közötti távolság 0,142 nm. Ez a "csomagolás" annyira sűrű, hogy még a hélium kis atomjait sem adja át.

Bár a "grafén" kifejezés egy grafitt egy rétegére utalva viszonylag nemrégiben jelent meg 1987-ben (lásd: S. Mouras és munkatársai, az első fázisú grafit interkalációs vegyületek fluoridokkal történő előállítása // Revue de chimie minérale (1987). ISSN 0035-1032. V. 24. №5. P. 572-582), az anyag tulajdonságainak elméleti vizsgálata 1947-ben kezdődött. A kanadai fizikus, Philip Wallace az elektron mozgásának törvényét egyetlen grafittrétegben számolta ki, és megállapította, hogy bizonyos részeiben az elektronenergia függése a lendületükön (diszperziós törvény) lineáris (további részletekért lásd:a "Graphene Properties" szakaszban). 2004-ig azonban a grafit nem szerezhető be. A kísérletezők útjában álló fő akadálya a grafén alakjának stabilizálása volt. A felületi energiájának minimalizálására irányuló vágya miatt koagulálja és átalakítja a különböző allotróp szénmódosításokat – fulleréneket, nanocsöveket és amorf szenet. (Valami olyan, mint egy hengerelt papírlap viselkedik, amikor megpróbálja kiegyenesíteni.)

A kutatók nem adtak optimistát Rudolf Peierls és Lev Landau elméleti fizikusok kimutatásához, amelyek több mint 70 évvel ezelőtt készültek, hogy a kristályok kétdimenziós formája szabadon nem létezhet, mivel az atomok elmozdulása a termális ingadozások hatására olyan nagy lesz, hogy destabilizál kristályrács és annak szétesése külön részekre.

A tudományos közösség számára meglepőbb volt az Atomikusan vékony karbonfilmek elektromos mező hatása, amely 2004 októberében jelent meg a folyóiratban tudományamelyben egy csoport kutatói a Manchester Egyetem és a Mikroelektronikai Technológiai Intézet Chernogolovka vezetése alatt Andrei Geim és Konstantin Novosyolov jelentettek a sikeres stabilizáció a grafén.Ebben a munkában leírták a grafén megszerzésének módját és azonosítását valóban egy grafit rétegnek. Hihetetlen, hogy a tudósok a grafén szintézisét hagyományos szalaggal végezték. Időről időre ragasztották a scotch szalagot a pirolitikus grafit lemez felületére, majd elbontották, és megismételték az eljárást, amíg a grafit teljesen vékony lett.

A scotch-szalaggal történő manipulálás után a grafitot oxidált szilícium-szubsztrátumra visszük át. Mivel minden alkalommal, amikor a ragasztószalagot különböző számú grafitréteggel hordták el, a "kijáratnál" lévő grafit lemez rendkívül egyenetlen vastagsággal rendelkezett, és különböző rétegeket tartalmazott. Azonban ebben a "megkönnyebbülésben" létezett egy pontosan egy réteg szénmonoxid vastagságú rész – kívánatos grafén (a grafén szintézis egyéb módszereihez lásd: Graphene: új gyártási módszerek és legújabb eredmények, Elements, 2008. szeptember 30.).

Amint a nagy felfedezésekkel gyakran történik, a tudósok egy kicsit szerencsések. Az a tény, hogy technikailag nehéz diagnosztizálni a grafént egy vékony, nem egyenletes vastagságú grafit lemezen, atomos erővel és pásztázó elektronmikroszkóppal. Ezért a grafit egyrétegű lemezének keresésére Geim és Novoselov egy hagyományos optikai mikroszkópot használtak.A szilícium-oxid szubsztrátum (300 nm) vastagságát, amelyre egy vékony lemez grafit került át, olyan jól megválasztották, hogy a fény interferenciája miatt a különböző vastagságú területek saját színnel rendelkeztek (3. A legkevésbé kontrasztos, majdnem színtelen területek a legvékonyabb területeknek felelnek meg. Ezek között volt a grafén felfedezése. Csak később, Geim és Novoselov és kollégái, atomos erő mikroszkóppal, meg voltak győződve arról, hogy a régió, amit találtak, valójában egyrétegű volt, és ez lehet grafén.

Ábra. 3. Balra: Nem egyenletes vastagságú grafit lemez fényképe. Az egyes szakaszok vastagsága közvetlenül a fényképen látható (ezek az értékek atomos erő mikroszkóppal történtek). A méretarány hossza 50 mikron. Jobbra: atomos erő mikroszkóppal kapott grafén kép. A fekete régió megfelel az oxidált szilícium szubsztrátnak, a sötét narancssárga régió 0,5 nm vastagságú grafén, a világos narancssárga rész több réteg grafitot tartalmaz és 2 nm vastagságú. További anyagok anyagai a K. S. Novoselov, A. K. Geim et al. Elektromos mező hatás az atomikusan vékony szénfilmekben tudomány

Bár a kapott első grafén kristályok mérete apró (kb. 1 mikron) volt, a tudósok az elektródákat a kapott mintákhoz egy speciális eszközzelhogy tanulmányozzák az új anyag elektronikus tulajdonságait.

Grafén tulajdonságok

Andrei Heim és Konstantin Novoselov felfedezése igazi grafén lázot váltott ki. Néhány év alatt a különböző laboratóriumok elméleti és kísérleti munkatársai átfogó tanulmányt készítettek a grafén tulajdonságairól (a Manchester Egyetem Heim és Novosyolov csoportja továbbra is ezen a területen vezető szerepet játszik).

Szinte azonnal világossá vált, hogy egy új szénformájú elektronikai tulajdonságok alapvetően különböznek a háromdimenziós anyagok tulajdonságaitól. Különösen a kísérletek megerősítették a teoretikusok előrejelzését az elektronok lineáris diszperziójáról. De a fizikusok tudták, hogy a fénysebességgel szétterjedő fotonok, tömeg nélküli részecskék hasonló energiafüggést mutatnak az impulzuson. Kiderült, hogy a grafén elektronjai, mint a fotonok, nincs tömegük, de 300-szor lassabban mozognak, mint a fotonok, és nem nulla töltéssel rendelkeznek. (A félreértések elkerülése érdekében hangsúlyozzuk, hogy az elektronok zéró tömegét csak a grafénen figyelhetjük meg, és ha az ilyen elektron "kivonható" a grafénből, akkor megszerezte a szokásos tulajdonságait.)

Az elektron diszperzió lineáris törvénye, valamint az a tény, hogy ezek a fermionok (fele egész szám), szükségessé teszi a Schrödinger-egyenlet alkalmazását, mint a szilárd állapotú fizikában, hanem a Dirac-egyenlet a grafén leírására. Ezért a grafénben lévő elektronokat Dirac fermionoknak nevezik, és a grafén kristályszerkezetének bizonyos része, amelyek esetében a diszperziós törvény lineáris, a Dirac pontok.

Mivel a kétdimenziós szénben lévő elektronok viselkedése ezen tulajdonságai a relativisztikus részecskékben (a fénysebességhez közelítő mozgási sebességgel) együtt járnak, a Graphene-ben a nagyenergiájú fizika (például a Klein-paradoxon) néhány hatását kísérletileg szimulálják, amelyet rendszerint töltött részecske-gyorsítókban tanulmányoznak . Ezért a grafént tréfásan "asztali CERN" -nek nevezik (a CERN az Európai Nukleáris Kutatási Központ, a Nagy Hadron Collider a védnöksége alatt működik).

Makroszkopikus skála esetén a lineáris diszperziós törvény azt a tényt hozza, hogy a grafén egy félvezető, vagyis egy nulla sávú résszel rendelkező félvezető, és a vezetőképessége normális körülmények között nem alacsonyabb, mint a rézé.Ráadásul elektronjai rendkívül érzékenyek egy külső elektromos tér hatására, így a töltőhordozók mobilitása a grafénben szobahőmérsékleten elméletileg rekordszintet érhet el – 100-szor nagyobb, mint a szilícium és 20-szor nagyobb, mint a gallium-arzén. Ez a két félvezető a germániummal együtt leggyakrabban különféle csúcstechnikai eszközök (integrált áramkörök, diódák, érzékelők stb.) Létrehozására szolgál, és mivel munkájuk gyorsaságát és hatékonyságát az elektron mobilitás határozza meg, annál nagyobb ez a mennyiség, az eszközök gyorsabban és hatékonyabban dolgoznak.

A grafén rekordot állított fel a hővezetésre. A kétdimenziós szén mért hővezető képessége a réz hővezető képességének 10-szerese, ami kiváló hővezetőnek számít. Érdekes, hogy a grafén felfedezése előtt a legjobb hővezető cím egy másik szén allotróp formájához tartozott – a szén nanocső. A grafén csaknem 1,5-szer javította ezt a számot.

Az érthetőség érdekében egy 1 m-es területű grafitból álló hipotetikus függőágyat vizsgálunk2. A grafén felületi sűrűségének ismerete (0,77 mg / m2), könnyen kiszámítható, hogy egy ilyen függőágy tömege 0,77 milligramm. A látszólagos törékenység ellenére, ez a függőágy nyugodtan áll egy felnőtt macska (körülbelül 4 kg súlyú). És bár a grafén kétdimenzióssága miatt nem megfelelő az erősségi tulajdonságainak összehasonlítása más 3D anyagokkal, ugyanolyan vastagságú acél függőágyhoz képest, a "kritikus" tömeg, amely a szakadáshoz vezet, 100-szor kisebb lesz. Vagyis a grafén két nagyságrenddel nagyobb, mint az acél.

Ábra. 4. Egy hipotetikus példa, amely bemutatja a grafén mechanikai szilárdságát. Grafén függőágyterület 1 m2 (tömege kevesebb, mint egy milligramm) képes ellenállni egy 4 kg súlyú felnőtt macskának. Összehasonlításképpen: ugyanazon a területen egy acél függőágy (ha ugyanolyan vastagságú lenne) 100-szor kisebb lenne – csak 40 g. A nobelprize.org kép

Ami az optikai tulajdonságokat illeti, a graglén a látható fény mindössze 2,3% -át elnyeli, függetlenül attól, hogy a sugárzás mennyi ideig tart. (Érdekes, hogy elméleti számításoknál ez a 2,3% az π szám és az α finom szerkezeti konstans révén fejeződik ki, ami meghatározza az elektromágneses kölcsönhatás erősségét.) Ez azt jelenti, hogy a grafén szinte színtelen (vagyis külső megfigyelőnek tűnikhogy nincs grafén függőágy, és a macska az ábrán. 4 lógott a levegőben).

A grafén kilátásait

Jelenleg a legelterjedtebb és legkedveltebb projekt a grafén alkalmazása a mikroelektronika új "alapja", amely szilícium, germánium és gallium-arzén alapú létező technológiák helyettesítésére szolgál (5. A nagy töltésű mobilitás az atomvastagság mellett a grafén ideális anyaga a kis és gyors térhatású tranzisztorok – a mikroelektronikai ipar "téglájának" megteremtéséhez. E tekintetben érdemes megemlíteni a 100 GHz-es tranzisztorok Wafer Scale Epitaxial Graphene kiadását, amely a magazin egyik februári kiadásában megjelent tudomány ebben az évben. A munka szerzői, az IBM laboratóriumának munkatársai 100 GHz-es frekvencián működő grafén tranzisztort hoztak létre (ez 2,5-szer nagyobb, mint a szilícium alapú azonos méretű tranzisztor sebessége).

Ábra. 5. A grafén a jövő mikroelektronika alapja. Kép a thebigblogtheory.wordpress.com oldalról

Az áttetszőség, a jó elektromos vezetőképesség és a grafén rugalmassága ötvözi az ötletet az érintőképernyők és a napelemekhez készült fotocellák létrehozásakor.A kísérletek során bebizonyosodott, hogy az ilyen típusú grafénalapú eszközök jobbak, mint a jelenleg használt indium-ón-oxid-alapú eszközök (ITO) szinte minden indikátora.

Annak megmutatásához, hogy ígéretes a grafén, ne adjon messze olyan területek teljes listáját, ahol a használat már elkezdődött:

  • ez egy olyan anyag, amely az ionizátorokban – nagy kapacitású, 1 F (farad) és így tovább – nagy kapacitású kondenzátorok előállítására szolgáló elektródák gyártására szolgál;
  • Grafénen alapuló mikrométeres gázérzékelők jönnek létre, amelyek "még egy gázmolekulát is" érezhetnek;
  • a grafén alkalmazásával a tudósok DNS szekvenálást végeztek;
  • lézerrel kombinálva a grafén lehet a rák gyógymódja (lásd: A rák kezelésére szolgáló grafit és lézer módszer, Elements, 2010. szeptember 7.).

A méltányosságban megjegyezzük, hogy a grafén használatával kapcsolatos sikerek eleve elszigeteltek. A fő nehézségek a jó minőségű olcsó grafén lapok szintézisében rejlenek. Mindazonáltal a grafénre vonatkozó legutóbbi kiadványok inspirálnak bizonyos optimizmust. Idén júniusban a folyóiratban Természet Nanotechnológia Koreai, szingapúri és japán technológusok közös cikkében megjelentek, amelyben leírják, hogy a grafolólemezek 30 cm-es (72 cm-es összehasonlítása az első grafén kristályok mikrométer méretével) összehasonlításra kerülnek olyan módszerek alkalmazásával, amelyek a kétdimenziós széntermelést a folyóba helyezhetik. És akkor valószínűleg olyan beszélgetések, amelyek a 2010-es Nobel-díjat a fizikában 2010-ben a grafénnek adták ki, mint egyfajta előlegfizetés a jövőre, csökkenni fog.

Eredeti cikkgyőztesek: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. Elektromos mezőhatás atomkocka vékony szénfilmekben // tudomány. V. 306. P. 666-669. 2004. október 22.

forrás:
1) Andrei Heim és Konstantin Novoselov csoportjainak publikációi a Manchester Egyetem honlapján (nyílt hozzáférés).
2) Nobel-díj a fizikában 2010 – hivatalos információ a Nobel-bizottságtól.

Lásd még:
1) Grafén – a tökéletes atomrács (PDF, 1,44 Mb) – a Nobel-bizottság sajtóközleménye.
2) Grafén. A Királyi Tudományos Akadémia tudományos összehasonlítása (PDF, 1.07 MB) – tudományos háttér.
3) Grafén: a megszerzés új módszerei és a legújabb eredmények, "Elements", 2008.09.30.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: