10 października 2010

Nobel za cudowny materiał


...
Piotr Cieśliński 2010-10-06,
Nagrodę Nobla z fizyki przyznano wczoraj za odkrycie grafenu. To materiał, który prędzej czy później w elektronice zdetronizuje krzem
Andre Geim oraz Konstantin Nowosieliow są wyjątkowo młodzi jak na laureatów Nagrody Nobla. Ale to całkiem zrozumiałe, bo także nagrodzona dziedzina badań dopiero raczkuje. Pierwsza praca na temat grafenu - przełomowa, która poruszyła lawinę - została opublikowana w "Science" w październiku 2004 r.

Rzadko się zdarza, by Komitet Noblowski uznawał tak młode odkrycia. Przeważyło zapewne to, że już dosłownie po pierwszych miesiącach badań grafen okrzyknięto cudownym materiałem. Wyjątkowo lekki, superwytrzymały, giętki, przezroczysty, przewodzący, doskonały na tranzystory. Co chwila laboratoria dorzucają jego kolejne zalety.

Co to jest grafen?

- Zabawne, ale niemal każdy z nas ma go w zasięgu ręki, kiedy rysuje ołówkiem po kartce papieru - śmieje się prof. Roman Stępniewski z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego. Grafen jest bowiem krewnym grafitu (stąd wzięła się jego nazwa). To bardzo cienka warstewka - o grubości ledwie jednego-dwóch atomów - zbudowana z atomów węgla spiętych w plaster miodu. To z takich warstw nałożonych jedna na drugą składa się właśnie grafit. Kiedy rysujemy ołówkiem, grafit się ściera i całkiem możliwe, że na papierze zostają też mikroskopowe plasterki grafenu.

Skoro jednak był na wyciągnięcie ręki, to dlaczego odkryto go tak późno? Zwłaszcza że już przed kilkudziesięciu laty fizycy spekulowali, że plaster atomów węgla może mieć niezwykłe własności. Nikt jednak tego nie sprawdzał, bo wcale nie było łatwo go uzyskać. Ba, uważano wręcz, że to niemożliwe. Atomowej grubości warstwa wcale nie chce być płaska. Skręca się i zwija w kulki lub rulony, tworząc tzw. fullereny lub węglowe nanorurki, które zresztą także są obiecujące dla elektroników.

Dopiero tegorocznym laureatom sześć lat temu udało się uzyskać czysty grafen. Najciekawsze, że odbyło się to w ramach - można by rzec - zajęć nadobowiązkowych. Tandem Geima i Nowosieliowa miał zwyczaj przeznaczać piątkowe wieczory na wszelkie dziwne i zwariowane eksperymenty. Takie, które kręcą badaczy, ale zazwyczaj nie ma na nie czasu, bo i tak wiadomo, że żadnego pożytku nie przyniosą. W jednym z doświadczeń badacze lewitowali żabę w polu magnetycznym, w innym stworzyli klej na wzór lepkich palców gekona.

W 2004 r. przyszło im do głowy, by używając taśmy klejącej, uzyskać grafen i zbadać jego przydatność dla elektroniki. Pomysł wziął się stąd, że jeden z pracowników laboratorium budował właśnie mikroskop tunelowy i chciał go przetestować na graficie, bo to jest akurat materiał, na którym najłatwiej uzyskuje się atomową rozdzielczość. Takie próbki zaś w laboratoriach na całym świecie oczyszcza się w ten sam sposób - przykładając do nich taśmę klejącą i odklejając ją wraz z wierzchnimi warstwami grafitu.

To standardowa laboratoryjna procedura, ale wcześniej nikt nie wpadł na to, że w ten sposób od grafitu można oderwać pojedynczą atomową warstwę - czyli uzyskać grafen!

Rok temu w wywiadzie dla Sciencewatch.com Nowosieliow opowiadał, że wystarczyło kilka dni i grafen był gotowy.

Co urzekło fizyków?

Oczywiście, najpierw były to mikroskopowe próbki, potem żmudną metodą ścierania grafitu nauczono się tworzyć płatki grafenu rozmiaru dziesiątej części milimetra - spore, choć wciąż ledwo widoczne pod szkłem powiększającym. Ale można było wreszcie zmierzyć jego własności fizyczne, które rzeczywiście okazały się niezwykłe.

Fizyków urzekła zwłaszcza ruchliwość elektronów - ogromna w porównaniu z innymi półprzewodnikami, m.in. sto razy większa niż w krzemie, co czyni grafen idealnym materiałem dla elektroniki.

W tym roku IBM zdradził, że w jego laboratoriach powstał tranzystor z grafenu o częstości przełączania 100 GHz, czyli większej niż osiągana na bazie krzemu (krzemowe układy doszły już do granicy swoich możliwości). A i ten rekord wkrótce zostanie pobity, bo teoretycznie grafen powinien oferować dużo więcej. Większe częstości oczywiście przekładają się na szybsze mikroprocesory i komputery.

Poza tym grafen jest przezroczysty, a więc można go wykorzystać do robienia ekranów dotykowych albo paneli baterii słonecznych.



Co więcej, przed kilku laty fizycy z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku pokazali, że jest on też najbardziej wytrzymałym materiałem na świecie, ponad sto razy bardziej niż stal. Gdyby plastikowa folia spożywcza była tak samo mocna, to nie dalibyśmy rady przekłuć jej szpilką - nawet gdyby na szpilce postawić tira.

- Koreańczycy już zrobili z grafenu ekran dotykowy, który jest praktycznie nie do zdarcia - mówi dr Włodzimierz Strupiński z Instytutu Technologii Materiałów Elektronowych w Warszawie.

Grafen znacznie lepiej niż kruchy krzem nadaje się również wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z elektroniką na giętkich powierzchniach - np. w ekranach z folii.

Wreszcie, ma tę samą zaletę jak krzem - wykonany jest z pierwiastka, który nie jest toksyczny i którego nie brakuje w przyrodzie. Wszak węgla mamy w bród.

Polak też potrafi

Nic dziwnego, że w tej chwili trwa wyścig o to, kto nauczy się lepiej i taniej robić grafen, a potem różne grafenowe elektroniczne urządzenia.

Oryginalna metoda produkcji - "na taśmę klejącą" - już została zastąpiona przez inne, które bardziej nadają się do przemysłowego zastosowania.

Warto dodać, że nasz Instytut Technologii Materiałów Elektronowych jest w nielicznym klubie tych, którzy to potrafią. W tej metodzie korzysta się z węglika krzemu - krzem jest odparowany i zostaje plaster samego węgla (a badaniem własności tak uzyskanego grafenu zajmują się naukowcy z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego).

- Patentujemy teraz jedną z modyfikacji tej metody - mówi dr Strupiński. Tak dobrej jakości materiał robi tylko kilka laboratoriów na świecie. - Półtora roku temu sam Andre Geim zwrócił się do nas z prośbą o próbki materiału, które chciał wykorzystać do badań - dodaje dr Strupiński. Wkrótce w "Nature Materials" ukaże się artykuł, którego nasz naukowiec będzie współautorem - obok dwójki tegorocznych noblistów.

Andre Geim, odbierając w 2008 r. w Rzymie nagrodę Europejskiego Towarzystwa Fizycznego, prorokował: - Za dziesięć lat grafen będzie równie dobrze znanym słowem jak krzem.

A zaczęło się od taśmy klejącej. Przed rokiem Nowosieliow zapytany o przesłanie płynące z tego odkrycia odrzekł: - Nauka powinna być zabawą, a eksperymenty niekoniecznie muszą kosztować miliony dolarów.

Andre Geim teraz to naprawdę poleciał

Pierwszy raz Andre, a właściwie Andriej Konstantinowicz Geim, "poleciał" w 1999 r., gdy wspólnie z Michaelem Berrym udało mu się wprawić w lewitację żabę (a także tulipany, orzechy, kawałki pizzy i konika polnego). Rok później został za to osiągnięcie uhonorowany Ig-Noblem - żartobliwym wyróżnieniem przyznawanym na Harvardzie za odkrycia, które "z początku wywołują śmiech, ale po chwili zmuszają do zastanowienia". Teraz przyszedł czas na "oryginalnego" Nobla (tym samym Geim został pierwszym człowiekiem, który zdobył obydwie nagrody).

Urodzony w 1958 r. w Soczi w Rosji, posiadający obywatelstwo holenderskie, a pracujący obecnie na Uniwersytecie w Manchesterze Geim w trakcie swojej kariery opublikował ponad 150 prac naukowych, z tego aż 14 w prestiżowych "Science" i "Nature".

O zdobyciu Nobla dowiedział się podczas porannego przeglądania e-maili. - Byłem w szoku, w ogóle się tego nie spodziewałem - opowiadał wczoraj.

Teraz Geim zamierza jeszcze bardziej zaangażować się w badania nad grafenem. Jego zdaniem są bowiem dwie kategorie zdobywców Nobla. Pierwsza to ci, którzy po otrzymaniu nagrody nie robią już nic do końca życia. Jest też druga, do której on sam siebie zalicza. - To ludzie, którzy uważają, że inni ludzie uważają, że zdobyli oni tę nagrodę przez przypadek i dlatego zaczynają pracować jeszcze ciężej - wyjaśnił krótko po ogłoszeniu werdyktu Komitetu Noblowskiego.

wom

Konstantin Nowosieliow, czyli mało czasu

- Jestem w szoku. To jakieś zupełne wariactwo - tak brzmiały pierwsze słowa świeżo upieczonego noblisty.

36-letni Konstantin Nowosieliow ma dwa obywatelstwa - rosyjskie i brytyjskie. Urodził się w Niżnym Tagilu, niespełna 400-tys. mieście położonym 25 km na wschód od umownej granicy między Europą a Azją. Skończył Fizyczno-Techniczny Uniwersytet w Moskwie, następnie spędził ponad dwa lata w Instytucie Technologii Mikroelektronicznej w Czernogołowce niedaleko Moskwy - głównym centrum badań naukowych Rosji.

W 1999 r. wyjechał na Uniwersytet w Nijmegen (Holandia). Ten pobyt zdecydował o jego dalszej karierze. Zaowocował bowiem nie tylko doktoratem, ale przede wszystkim znajomością z Andriejem Geimem, niezwykle zdolnym fizykiem, również rosyjskiego pochodzenia. Pomiędzy Andriejem i Kostią szybko nawiązała się nic porozumienia. Mieli podobne podejście do pracy naukowej, uważając, że powinna być ona przede wszystkim dobrą zabawą.

Kiedy Andriej przeniósł się z Holandii do Manchesteru w Wielkiej Brytanii, szybko ściągnął tam Nowosieliowa. Od tego czasu pracowali już ręka w rękę, poświęcając mniej więcej jedną dziesiątą czasu na tzw. eksperymenty "wieczorno-piątkowe".

- Robiliśmy wtedy najgłupsze doświadczenia, jakie tylko przyszły nam głowy - opowiadał w jednym z wywiadów Nowosieliow. Historia docenionego przez Komitet Noblowski grafenu zaczęła się także podczas jednego z takich "wieczorno-piątkowych" doświadczeń.

Nowosieliow jest nie tylko jednym z najmłodszych noblistów w historii, ale także jednym z najczęściej cytowanych fizyków na świecie. Jego opublikowane w ciągu ostatnich 10 lat prace były cytowane ponad 3,5 tys. razy.

Ku jego ubolewaniu dziś nie ma już czasu na "wieczorno-piątkowe" eksperymenty.

zag