Nobel z fizyki za odkrycie grafenu

51-letni Andre Geim i 36-letni Konstantin Novoselov otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki za odkrycie grafenu - nowej postaci węgla, która jest najcieńszym i najbardziej wytrzymałym znanym materiałem. Novoselov i Geim, którzy studia skończyli w Rosji, po raz pierwszy spotkali się w Holandii, gdy Novoselov robił doktorat. Razem wyjechali do Wielkiej Brytanii, gdzie zostali profesorami University of Manchester. W październiku roku 2004 opublikowali na łamach "Science" artykuł, który wywołał poruszenie na całym świecie.

Wyizolowali grafen z kawałka grafitu, który można znaleźć w zwykłym ołówku. Co więcej, do uzyskania jego jednoatomowej warstwy wykorzystali zwykłą taśmę samoprzylepną. Wielu specjalistów nie wierzyło, że jednoatomowa warstwa jakiegokolwiek materiału może być stabilna.

Tymczasem grafen to najmocniejszy znany materiał, ponad 100 razy mocniejszy niż stal, a zarazem tak elastyczny, że można go bez szkody rozciągnąć o 20 proc. Podobnie jak diament, składa się z atomów węgla, pierwiastka, bez którego nie mogłoby istnieć życie w znanej nam formie. Atomy węgla tworzą w grafenie płaską, praktycznie dwuwymiarową siatkę o sześciokątnych oczkach, której struktura przypomina plaster miodu.

Grafen jest równie dobrym przewodnikiem elektryczności co miedź, a pod względem przewodnictwa ciepła przewyższa wszystkie znane materiały. Choć jest niemal całkowicie przezroczysty (pochłania tylko 2,3 proc. światła), przez jego warstwę nie przechodzą nawet maleńkie atomy helu.

Dzięki grafenowi fizycy mogą w nieosiągalny wcześniej sposób badać zjawiska z zakresu mechaniki kwantowej, gdyż elektrony poruszają się w grafenie z prędkością sięgająca 1/300 prędkości światła. Pozwala to wykonywać wiele doświadczeń, które dotąd wymagały użycia akceleratora.

Z grafenu powstają nowe komponenty elektroniczne - na przykład tranzystory, dużo szybsze od powszechnie stosowanych tranzystorów krzemowych. Komputery z grafenu mogłyby działać z częstotliwością rzędu 500-1000 gigaherców.

Przejrzystość i znakomite przewodnictwo sprawiają, że grafen nadaje się do wytwarzania przejrzystych, zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych, źródeł światła czy baterii słonecznych. Czujniki z grafenu potrafią zarejestrować obecność pojedynczej cząsteczki szkodliwej substancji.

Jako dodatek do tworzyw sztucznych, grafen może je przekształcić w przewodniki elektryczności, podnosi też odporność na ciepło oraz wytrzymałość mechaniczną. Tak elastyczne i wytrzymałe materiały nadają się do budowy samochodów, samolotów czy pojazdów kosmicznych.

Przez wiele lat uważano, że istnieją dwie odmiany węgla, różniące się ułożeniem atomów - diament i grafit. Struktura diamentu jest trójwymiarowa, co nadaje jej olbrzymią odporność. Grafit jest tak miękki, że można nim pisać po papierze - tworzące go płaskie warstwy atomów łatwo się po sobie ślizgają, co sprawia, że ołówkiem można pisać po papierze. Na milimetrową warstwę grafitu składają się trzy miliony oddzielnych, leżących na sobie warstw, dziś znanych jako grafen. Później okazało się, że istnieją jeszcze "zwinięte" z grafenu nanorurki i kuliste fullereny, przypominające piłkę.

Zapewne każdemu, kto pisał ołówkiem, udawało się od czasu do czasu uzyskać warstwę grafenu, choć o tym nie wiedział. Jednak nikt nie potrafił świadomie rozłożyć grafitu na pojedyncze warstwy - do czasu, gdy na ten pomysł wpadli tegoroczni nobliści.

W roku 2004 Geim i Novoselov wykorzystali taśmę klejącą, aby odrywać poszczególne warstewki z kawałka grafitu. Uzyskali w końcu jednoatomowe warstwy. Potem fragmenty grafenu przytwierdzali do płytki z utlenionego krzemu, standardowego materiału stosowanego w elektronice.

Pojedyncza warstwa węglowej siateczki o sześciokątnych oczkach mając grubość jednego atomu jest praktycznie dwuwymiarowa, choć nawet niewielki z punktu widzenia codziennego życia kawałek grafenu składa się z miliardów atomów.

Obecnie, metodami podobnymi do stosowanych w produkcji układów elektronicznych, udaje się uzyskiwać arkusze grafenu o szerokości nawet 70 centymetrów. Metr kwadratowy grafenu ważyłby 0,77 miligrama. Gdyby zrobić niego hamak, utrzymałby ciężar 4 kilogramów - czyli przeciętnego kota. W dodatku byłby niewidoczny i ważył tyle, co koci wąs.

 

Konstantin "Kostia" Novoselov - od zabawy do Nobla

Konstantin "Kostia" Novoselov otrzymał Nobla za odkrycie, razem ze swoim naukowym mentorem Andre Geimem, nowej postaci węgla - grafenu. Dziś trudno uwierzyć, że doprowadziły do tego szalone eksperymenty, prowadzone dla zabawy.

Novoselov urodził się w sierpniu 1974 r. w miejscowości Niżny Tagił w azjatyckiej części byłego Związku Radzieckiego.

W 1997 r. obronił z wyróżnieniem pracę magisterską na Moskiewskim Uniwersytecie Fizyczno-Technicznym. W latach 1997-1999 prowadził badania w Instytucie Technologii Mikroelektronicznych w Czarnogłówce.

Później był pracownikiem Laboratorium Silnych Pól Magnetycznych na Uniwersytecie w Nijmegen w Holandii, gdzie pracował pod kierunkiem Andre Geima i gdzie w 2004 r. uzyskał tytuł doktora.

Następnie przeniósł się za prof. Geimem do Wielkiej Brytanii na Wydział Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Manchesterze, z którym jest związany do dziś. W 2007 r. został członkiem brytyjskiego towarzystwa naukowego Royal Society. Ma obywatelstwo rosyjsko-brytyjskie.

Karierę naukową zaczynał od badania zjawisk mezoskopowych, czyli dotyczących układów o rozmiarach rzędu mikrometrów. W 2004 r. dokonał odkrycia najtrwalszego i najcieńszego materiału - grafenu, który jest jedną z postaci węgla.

W wywiadzie udzielonym dziennikarzowi serwisu internetowego ScienceWatch.com w lutym 2009 r. Novoselov wyznał, że około 10 proc. czasu pracy w laboratorium Geima poświęcali na szalone eksperymenty, które miały niewielkie szanse przynieść jakieś efekty, "a gdyby tak się stało, byłoby to wielkim zaskoczeniem".

Geim przeprowadził np. doświadczenia nad lewitacją żaby, za które otrzymał Antynobla. Efektem tej zabawy było też stworzenie przez parę naukowców nowego materiału adhezyjnego naśladującego pod względem przylepności stopę gekona.

"Takich doświadczeń, które nie przyniosły żadnych efektów i o których nikt się nawet nie dowiedział, było znacznie więcej" - wyznał Novoselov w wywiadzie.

Również eksperymenty z grafenem zaczęły się w formie zabawy. "Nie liczyliśmy na zbyt wiele i gdy powierzyłem je studentowi, początkowo nie wychodziły. Później zdarzyło nam się coś, co można by nazwać serią zbiegów okoliczności i co przyniosło niezwykłe efekty w krótkim czasie - w ciągu około tygodnia. Wtedy zdecydowaliśmy się kontynuować prace na poważniejszych zasadach" - wspominał Novoselov.

Co ciekawe, pierwszy artykuł na temat badań nad grafenem, który ukazał się w "Science" w 2004, naukowcy wysłali początkowo do "Nature", gdzie został odrzucony. "Nie wiem dlaczego - wyznał Novoselov w wywiadzie. - Recenzent powiedział nam, że jest interesujący, ale powinniśmy jeszcze dokonać pomiarów tego, śmego i owego, a wtedy może rozważą jego publikację. Od tego czasu upłynęło już kilka lat, a my ciągle nie wykonaliśmy żadnego z pomiarów wymaganych przez recenzenta +Nature+. Mimo to nieco poprawiony artykuł opublikował później +Science+".

Obecnie praca ta razem z drugą, która w 2005 r. ukazała się w Nature", należą do najczęściej cytowanych publikacji na temat grafenu i jego właściwości. Artykuł z "Science" został też uznany za "jeden z najczęściej cytowanych ostatnio artykułów w dziedzinie fizyki".

Mimo młodego wieku, Novoselov otrzymał wiele wyróżnień i nagród, w tym m.in. Europhysics Prize (2008 r.), Nicholas Kurti European Prize (2007 r.), grant European Research Council (2008 r.). W 2008 r. otrzymał tytuł "Naukowca Roku" na Uniwersytecie w Manchesterze.

Jest autorem ponad 60 artykułów w tak prestiżowych czasopismach jak "Nature", "Science", "Nature Materiale", "Nature Physics", "Nature Nanotechnology", "Proceedings of the American Academy of Science".

Novoselov razem ze współpracownikami ciągle prowadzi doświadczenia nad grafenem i jego zastosowaniami, również te zaliczane do "szalonych".

Zapytany, co chciałby powiedzieć zwykłym ludziom na temat swojej pracy naukowej, wyznał: "Nauka powinna sprawiać radość; nie zawsze musisz wykonywać drogie eksperymenty, kosztujące miliony dolarów, aby być w czołówce naukowców".

Stępniewski: grafen przyszłością tzw. szybkiej elektroniki

Prof. Roman Stępniewski z Zakładu Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Warszawskiego o Nagrodzie Nobla w dziedzinie fizyki dla Andre Geima i Konstantina Novoselova uhonorowanych za wyizolowanie i opisanie grafenu:

"To bardzo istotne i bardzo ważne odkrycie. Zresztą widać to po decyzji Komitetu Noblowskiego, który docenił osiągnięcia z 2004 roku - wtedy zaczęły się pierwsze prace badawcze. Sześć lat to nie jest dużo w badaniach naukowych. Oczywiście bardzo cieszę się i gratuluję laureatom, bo my również pracujemy nad grafenem, więc ten temat jest mi bardzo bliski.

Grafen to bardzo interesujący materiał. To pojedyncza warstwa węglowa o grubości 1 atomu ułożona niczym plaster miodu. Ma unikatowe własności mechaniczne, elektryczne i ogólnie fizyczne. Trudo go porównać z jakimkolwiek innym materiałem.

Jest bardzo silny i odporny w szczególności na drganie i rozciąganie. Jest przewodzący, ale jednocześnie przezroczysty, bo ze względu na swoją grubość absorbuje tylko 2 proc. światła.

Przewiduje się, że jest to materiał, który w przyszłości może zastąpić krzem w zastosowaniach elektronicznych na potrzeby tzw. szybkiej elektroniki.

Od lat urządzenia elektroniczne, komputery, zegarki, telefony bazują na właściwościach krzemu. Krzem jest obecnie najlepszym i najpowszechniej używanym materiałem, z którego powstają tranzystory. Jednak wymagania techniki cały czas rosną, komputery są coraz szybsze i mniejsze. W końcu ze zmniejszającymi się rozmiarami tranzystorów dojdziemy do wielkości pojedynczych atomów, a tak małych elementów nie będzie już można wykonać.

Dlatego intensywnie szuka się innych materiałów, które mogłyby zastąpić krzem, w momencie gdy dojdziemy do tej bariery. Grafen w tej chwili jest najpoważniejszym kandydatem do zastąpienia krzemu, właśnie ze względu na swoje unikatowe własności.

Nie ma jeszcze gotowych układów elektronicznych bazujących na grafenie, to wszystko wymaga jeszcze intensywnej pracy naukowców i technologów".

Prof. Szymoński o Noblu z fizyki: potencjał grafenu jest ogromny

Prof. Marek Szymoński, kierownik Zakładu Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii Instytutu Fizyki UJ o przyznaniu Nagrody Nobla z fizyki Andre Geimowi i Konstantinowi Novoselovi za wyizolowanie i opisanie grafenu:

"Jeśli chodzi o stymulację w ostatnim czasie aktywnie prowadzonych badań z pogranicza fizyki, nanotechnologii, elektroniki nowej generacji, to odkrycie miało bardzo duże znaczenie. Prace nad odkryciem nie są jednak jeszcze na takim etapie, żebyśmy z dużą pewnością mogli mówić o jego praktycznym wykorzystaniu. Ale wszyscy przewidują, że potencjał grafenu jest ogromny.

Komitet Noblowski wybrał to osiągnięcie być może dlatego, że zasymulowało ono bardzo duży rozwój badań na całym świecie. Różne grupy badawcze prześcigają się w badaniach dotyczących grafenu. Jest w tej dziedzinie duże ożywienie. Programy dotyczące grafenu próbuje uruchamiać Unia Europejska i Europejska Fundacja Nauki. Tak samo jest w państwach azjatyckich. To właśnie mogło w jakiś sposób rzutować na przyznanie nagrody tym panom z Manchesteru, którzy jako jedni z pierwszych grafen otrzymywali i zakomunikowali o jego unikalnych właściwościach elektronowych.

Zazwyczaj nagroda Nobla jest przyznawana, kiedy dane odkrycie już "dojrzeje" i zaowocuje konkretnymi praktycznymi rozwiązaniami, które mają znaczenie użytkowe, komercyjne. Z grafenem chyba jeszcze tak nie jest.

Chociaż w sierpniowym numerze +Nature Nanotechnology+, specjalistycznym czasopiśmie dotyczącym nanotechnologii, znajduje się komunikat, że grafen pokazał swój potencjał. A to dzięki temu, że w Korei udało się pewną metodą wytworzyć duże przezroczyste +kartki+ z grafenu, o średnicy około 30 cali. To jeden z pierwszych sygnałów, że można opanować technologię produkcji grafenu do tego stopnia, że można go wytwarzać na dużą skalę. A to jest konieczne, żeby grafen znalazł praktyczne zastosowania, które bazują na jego unikalnych właściwościach". LT  

Prof. Burian: grafen odkryciem o dużych możliwościach

Prof. Andrzej Burian z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego o przyznaniu Nagrody Nobla z fizyki dla Andre Geima i Konstantina Novoselova za wyizolowanie i opisanie grafenu:

 "Odkrycie, którego dokonali tegoroczni laureaci, jest bardzo ważne zarówno z punktu widzenia badań czysto fundamentalnych, ale nawet bardziej możliwości aplikacyjnych. Nobel w swoim testamencie podkreślił właśnie aspekt aplikacyjny badań i wskazał, że nagradzane powinny być zwłaszcza odkrycia przynoszące pożytek ludzkości. Dlatego aspekt aplikacyjny jest szczególnie ceniony przy okazji Nagród Nobla.

Nagrodzeni naukowcy uzyskali grafen z formy węgla zwanej grafitem. Ten zbudowany jest z warstw zawierających płaskie struktury atomów węgla, ułożonych jak plaster miodu, czyli w regularne sześcioboki. Takie warstwy układane jedna nad drugą tworzą strukturę grafitu.

Są one bardzo słabo ze sobą związane, dzięki czemu grafitowym ołówkiem możemy pisać na kartce papieru. Odkrycie polegało na tym, że użyto dość prostej metody: taśmą klejącą udało im się oderwać pojedyncze warstwy grafitu. Tak uzyskany materiał ma zupełnie inne właściwości fizyczne i chemiczne niż grafit. Po tym odkryciu bardzo wiele grup na świecie pracowało nad tym, by otrzymywać te pojedyncze warstwy z grafitu.

Grafen to materiał, który będzie miał lepsze zastosowanie niż nanorurki węglowe, bo jest materiałem łatwiejszym technologicznie. Potrafimy kontrolować proces otrzymywania takich warstw znacznie lepiej niż nanorurek węglowych i otwierają się przed nami istotne możliwości zastosowania do tworzenia układów elektronicznych w skali atomowej. To bardzo dobrze rokuje grafenowi na przyszłość.

Grafen będzie mógł być używany do budowy tranzystorów, oczywiście w bardzo małej skali. Elektrony w takim materiale bardzo łatwo się poruszają i to z dużymi prędkościami, co pozwala na konstruowanie urządzeń działających znacznie szybciej niż te, które znamy do tej pory.

Ten materiał jest stosunkowo odporny na działanie różnych czynników chemicznych, w związku z tym zakłada się, że powinien być również przyjazny dla organizmów ludzkich. Można sobie wyobrazić, że będzie można dołączać do niego cząsteczki mające aktywność terapeutyczną, czyli używać go jako nośnika leków w organizmie ludzkim.

Również - ale to na razie pozostaje w sferze fantazji - będzie można go wykorzystywać do tzw. kierowanej terapii nowotworowej, bo będzie umożliwiał dostarczanie środków zwalczających tkanki nowotworowe właśnie w to miejsce organizmu, w którym są potrzebne. EKR

PAP - Nauka w Polsce