100 великих достижений в мире техники - Станислав Зигуненко

Для сравнения: разрешение, которого можно добиться с помощью «Радиоастрона», будет как минимум в 250 раз выше, чем можно добиться с помощью наземной сети радиотелескопов, и более чем в 1000 раз выше, чем у космического телескопа «Хаббл», работающего в оптическом диапазоне.

Все это позволит исследовать окрестности сверхмассивных черных дыр в активных галактиках, рассмотреть в динамике строение областей, где образуются звезды в нашей галактике Млечный Путь; изучать нейтронные звезды и черные дыры в нашей Галактике; изучить структуру и распределение межзвездной и межпланетной плазмы; построить точную модель гравитационного поля Земли, а также провести еще множество других наблюдений и следований.

Графеновый прорыв

Как известно, каждое научное открытие проходит через три стадии. Сначала в него никто не верит. Потом начинают говорить, что «в этом что-то есть». И наконец, о нем говорят: «Да кто же этого не знает?!» Создатели тончайшего в мире материала – графена – Андре Гейм и Константин Новоселов прошли через все три этапа. Поначалу им никто не верил, потом научное сообщество заинтересовалось, чем же занимаются два выходца из России. И наконец, они были удостоены за свою разработку Нобелевской премии 2010 года по физике.

Немного теории. Весьма престижная в мире физиков награда досталась нашим бывшим соотечественникам, ныне работающим в Университете Манчестера в Великобритании, за «открытие и выделение свободного одноатомного слоя углерода и объяснение его выдающихся электронных свойств».

Ну а чтобы и вам стало понятно, что к чему, – несколько слов пояснения. Как известно, углерод встречается в природе в различных аллотропных формах – графит, уголь, алмаз. Недавно к ним добавились еще карбин, фуллерены и нанотрубки.

Андре Гейм и Константин Новоселов на фоне гексагональной кристаллической решётки графена

Про графит, уголь и алмаз написано во всех школьных учебниках. Поэтому здесь мы упомянем подробнее о новых формах.

Итак, карбин – это линейный полимер углерода, молекулы которого представляют собой длинные тонкие цепочки из углеродных атомов. Фуллерены – это полые молекулы, по форме представляющие собой полые шары, или, точнее, многогранники, состоящие из большого количества – до 560 атомов – углерода. А нанотрубки – это и в самом деле трубчатые структуры из тех же атомов углерода. Диаметром они бывают от одного до нескольких десятков нанометров, а длиной до нескольких микрон.

Графен же представляет собой тончайшую – в один атом толщиной! – пленку из тех же атомов углерода, объединенных в строгую гексагональную геометрическую структуру. Иными словами, графеном можно считать развернутую на плоскости нанотрубку.

Объяснить природу графена проще всего на таком примере. Если вы возьмете карандаш и проведете им черту на бумажном листе, то отслаивающиеся от грифеля чешуйки будут образовывать на бумаге тонкий слой. Графен – это нечто похожее, но гораздо тоньше, толщиной всего в 1–2 атома. Эта двухмерная тонкая структура, состоящая их атомов углерода, расположенных в вершинах шестиугольников по принципу пчелиных сот, – удивительное вещество. Пленка толщиной в один атом прозрачна, но обладает поразительной прочностью, в 200 раз превышающей прочность стали.

Отделять такие пленки от монолита исследователи приспособились при помощи липкой ленты – скотча. Все было так просто, что поначалу профессору Андре Гейму и его коллеге никто просто не поверил. Неужто можно столь обыденным способом отделить от графитового массива тончайшую, в один атомарный слой, пленку графита?

До недавнего времени создание подобных тончайших пленок считалось вообще невозможным. Дело в том, что более полувека назад еще один Нобелевский лауреат, советский физик-теоретик Лев Ландау показал, что подобные структуры будут неустойчивы – силы взаимодействия между атомами должны смять пленку, свернуть ее, что называется, в бараний рог. Однако выходцы из России изменили это всеобщее представление. Причем сделали это с присущей русским смекалкой.

А что на практике? Совместная работа будущих нобелевских лауреатов началась в 2001 году. Наловчившись получать тончайшие углеродные пленки, ученые стали исследовать их свойства. При этом выяснилось, что слой графита в один атом обладает рядом ценных, а порой и неожиданных свойств. Так, эта немыслимо тонкая пленка – в миллион раз тоньше листка обычной писчей бумаги, тем не менее обладает высокой прочностью, гибкостью, а главное, стабильностью своих свойств.

Кроме того, графен имеет высокую тепло– и электропроводность. А для полупроводниковой промышленности весьма необходимы материалы, в которых бы носители электрического заряда – электроны – могли перемещаться без помех. Дело в том, что всюду, где электроны натыкаются на препятствия и отклоняются от заданного прямого пути, идет интенсивное выделение тепла. Кроме того, подобные потери ограничивают рабочую частоту действия тех или иных компонентов микроэлектронных схем.

Например, в кремнии электроны могут передвигаться относительно свободно. Но у арсенида галлия степень свободы электронов еще в 6 раз выше. Поэтому в мобильниках и приемниках спутниковых сигналов используются микропроцессоры на основе именно арсенида галлия, а не кремния.

Это свойство, которое называется подвижностью электронов, в графеновых пленках близко к абсолютному идеалу; электроны практически не рассеиваются и весьма мало реагируют на изменения внешней среды. Однако произвести точные замеры свойств графена ученым долгое время не удалось – уж слишком тонка пленка. А потому только недавно выяснилось, что по подвижности электронов графен превосходит все известные на сегодня вещества.

«По нашим данным выходит, что подвижность электронов в графене в 10–20 раз выше, чем в арсениде галлия, – уверяет профессор Гейм. – Этот качественный скачок открывает блестящие возможности разработки новых еще более скоростных компонентов схем микроэлектроники. Тут уже речь пойдет не о мега– и гигагерцах, как в нынешних компьютерах, а о террагерцах, то есть в 1000 раз более высоких показателях».

Далее ученые приступили к созданию графенового полевого транзистора, который, используя электрическое поле, обеспечивает так называемый баллистический транспорт электронов, при котором они практически не рассеиваются.

В общем, оказалось, что баллистические транзисторы работают гораздо быстрее, чем обычные кремниевые устройства такого рода. А потому открытие Гейма – Новоселова вызвало большой интерес к графену как к материалу для электроники нового поколения.

Однако есть и определенные препятствия на пути внедрения графеновых структур в производство. Во-первых, нет еще технологии, которая бы позволила наладить массовое производство графеновых структур с одинаковыми показателями – пока пленки делают практически вручную. Кроме того, первые транзисторы на графеновой основе оказались весьма медленными и не могут пока составить серьезную конкуренцию нынешним микросхемам.

Впрочем, как полагают энтузиасты нового направления, это лишь трудности роста молетроники – микроэлектроники, схемы которой оперируют уже с отдельными молекулами. «С первыми кремниевыми транзисторами исследователи тоже повозились изрядно, – вспоминает Константин Новоселов. – И находились скептики, которые говорили, что из этой затеи ровным счетом ничего не получится и лучше радиоламп вряд ли можно что-то придумать. Так что лет через двадцать, глядишь, новое поколение электронщиков будут вспоминать о нынешних микросхемах примерно так же, как ныне мы рассуждаем о тех же радиолампах».

Чудеса «самолечения»

То, что царапина на коже заживает сама собой за неделю, никого не удивляет. И, заболев, люди чаще всего выздоравливают. Но почему тогда нельзя создать саморемонтирующиеся материалы и машины? Именно этим вопросам задались ученые из Высшей промышленной школы физики и химии в Париже по главе с профессором Людвигом Леблером. И кое-чего им уже удалось добиться…

Новый удивительный материал, который удалось синтезировать исследователям, не только эластичен, словно резина. Он еще способен в течение недели полностью восстановить разрыв или разрез. Для этого достаточно просто сложить вместе две его части. Уже через четверть часа обе части как бы склеиваются, а через несколько дней от места повреждения не остается и следа.

Такие материалы, способные к «самолечению», ученые и инженеры пытались создать еще давным-давно. Поначалу они создали материалы, в структуре которых содержались микрокапсулы с клеящим составом. Если возникает трещина, клей из разорванных капсул заполняет ее и застывает на воздухе или при смешивании с отвердителем из других капсул. Именно таким способом ныне сами собой заклеиваются пробитые шины на некоторых автомобилях.