Hadiah Nobel dalam Fizik - 2010 • Yuri Erin • Berita Sains mengenai "Unsur" • Fizik, Sains di Rusia, Nanoteknologi, Hadiah Nobel

Hadiah Nobel dalam Fizik – 2010

Rajah. 1. Pemenang Hadiah Nobel dalam Fizik untuk 2010 Andrei Geim (di sebelah kiri) dan Konstantin Novoselov. Foto dari nobelprize.org

Hadiah Nobel dalam Fizik 2010 dianugerahkan kepada Andre Geim dan Kostya Novoselov dari University of Manchester kerana eksperimen inovatifnya dengan graphene, bentuk dua dimensi karbon. Kumpulan saintis yang diketuai oleh mereka adalah yang pertama untuk menguruskan mendapatkan graphene dan mengenalinya. Di samping itu, kerja Heim dan Novoselov membuat sumbangan penting dalam mengkaji sifat-sifat dan sifat-sifat baru yang luar biasa.

Karbon adalah unsur kimia yang unik. Ia mampu membentuk struktur kimia yang paling pelbagai dalam bentuk rantai satu dimensi, pembentukan kitaran dan sebatian ruang. Kepelbagaian ini memastikan, antara lain, berfungsi kod genetik semua kehidupan di bumi.

Untuk masa yang lama, tiga modifikasi alotropik utama karbon diketahui – grafit, berlian, dan jelaga (karbon amorf). Bagaimanapun, sejak pertengahan abad yang lalu, keluarga karbon mula berkembang pesat. Pertama, versi karbon satu dimensi karbin dan versi heksagon berlian lonsdalelite didapati.Pada tahun 1985, molekul fullerene C ditemui.60 dan derivatif mereka Cn (fullerenen rendah – C24, C28, C30, C32, – purata penuh – C50, C60, C70, – hyperfullerenes – C76, C78, C82, C84, C90, C96, C102, C106, C110 dan fulleren gergasi – C240, C540, C960), kemudian (pada tahun 1996) membawa Hadiah Nobel dalam Kimia kepada penemu mereka. Dalam masa kurang dari 10 tahun, dunia mengetahui kewujudan pengubah silinder karbon nanotube karbon tunggal satu dimensi dan multi-lapisan. Akhirnya, pada tahun 2004, sekumpulan saintis dari England dan Rusia memperoleh bentuk karbon-graphene dua dimensi. Dan hanya 6 tahun selepas penemuan bentuk karbon allotropic baru ini, para pemimpin kumpulan Andrei Geim dan Konstantin Novoselov dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika "untuk eksperimen inovatif dengan bahan grafik dua dimensi."

Apakah graphene dan bagaimana ia ditemui?

Marilah kita mempunyai jenis karbon yang paling biasa – grafit. Grafit adalah bahan yang sangat anisotropik; ia terdiri daripada lapisan-lapisan rata atom karbon yang lemah (Rajah 2). Fakta bahawa hubungan antara pesawat atom lemah dapat dilihat dalam proses melukis dengan pensil di atas kertas, apabila lapisan grafit mudah dipindahkan dan terpisah, meninggalkan jejak pada kertas.

Rajah. 2 Graphene (gambar teratas) adalah bahan bangunan 2D (dua dimensi) untuk pengubahsuaian alotrop karbon lain. Ia boleh dilipat menjadi 0D-fullerene (di sebelah kiri), dipintal ke nanotube karbon 1D (di tengah) atau diletakkan dalam buasir 3D, membentuk grafit (di sebelah kanan). Gambar dari artikel oleh A. K. Geim dan K. S. Novoselov Peningkatan graphene di Bahan Alam

Katakan kita entah bagaimana boleh "berpecah" satu satah atom tunggal dari kristal grafit. Lapisan tunggal atom karbon yang dihasilkan adalah graphene (kerana bentuk datar, graphene juga dipanggil bentuk allotropic dua dimensi karbon). Oleh itu kita boleh menganggap bahawa grafit adalah sebilangan besar pesawat graphene.

Atom graphene dipasang ke dalam kisi kristal heksagon (seperti sarang lebah); jarak antara atom jiran adalah 0.142 nm. "Pembungkusan" ini begitu padat sehingga ia tidak melepaskan atom-atom kecil helium.

Walaupun istilah "graphene" sebagai nama untuk satu lapisan grafit kelihatan agak baru, pada tahun 1987 (lihat: S. Mouras et al. Sintesis tahap senyawa interkalasi grafit pertama dengan fluorida // Revue de chimie minérale (1987). ISSN 0035-1032. V. 24. №5. P. 572-582), kajian teori mengenai sifat-sifat bahan ini bermula sejak tahun 1947. Ahli fizik Kanada Philip Wallace mengira undang-undang gerakan elektron dalam satu lapisan grafit dan mendapati bahawa di bahagian-bahagian tertentu, pergantungan tenaga elektron pada momentum mereka (undang-undang penyebaran) adalah linear (untuk lebih lanjut mengenai ini, lihatdalam bahagian "Properties Graphene"). Walau bagaimanapun, sehingga tahun 2004, graphene tidak dapat diperolehi. Halangan utama yang menonjol dalam cara eksperimen adalah ketidakmungkinan untuk menstabilkan bentuk graphene. Oleh kerana keinginan untuk meminimumkan tenaga permukaannya, ia mengembang, berubah menjadi pelbagai modifikasi karbon allotropic – fullerenes, nanotubes, dan karbon amorf. (Sesuatu seperti helaian kertas gulung berkelakuan apabila anda cuba meluruskannya.)

Para penyelidik tidak menambah keyakinan terhadap kenyataan ahli fizik teori yang berwibawa Rudolf Peierls dan Lev Landau, yang dibuat lebih dari 70 tahun yang lalu, bahawa bentuk kristal dua dimensi tidak boleh wujud dengan bebas, kerana anjakan atom-atom di bawah pengaruh turun naik termal akan sangat besar sehingga ia akan menjejaskan kestabilan kekisi kristal dan perpecahannya menjadi bahagian yang berasingan.

Lebih mengejutkan untuk komuniti saintifik adalah artikel Electric Field Effect dalam Filem Karbon Atom Nipis, diterbitkan pada bulan Oktober 2004 dalam jurnal Sainsdi mana sekumpulan saintis dari University of Manchester dan Institut Teknologi Mikroelektronik Masalah di Chernogolovka di bawah pimpinan Andrei Geim dan Konstantin Novosyolov melaporkan mengenai penstabilan graphene yang berjaya.Dalam karya ini, mereka menerangkan kaedah mendapatkan grafik dan pengenalannya sebagai lapisan grafit yang benar-benar satu. Yang luar biasa, para saintis melakukan sintesis graphene menggunakan tape-tape konvensional. Setiap kali mereka melekat pita scotch ke permukaan plat grafit pirolitik, dan kemudian mereka menyekatnya, mengulangi prosedur sehingga grafit menjadi sangat nipis.

Selepas manipulasi dengan pita scotch, grafit dipindahkan ke substrat silikon teroksida. Memandangkan setiap kali pita pelekat terbawa dengan pelbagai lapisan grafit, plat grafit "di pintu keluar" mempunyai ketebalan yang sangat tidak seragam dan mengandungi bilangan lapisan yang berlainan. Walau bagaimanapun, dalam "relief" ini terdapat satu bahagian dengan ketebalan tepat satu lapisan atom karbon – graphene yang diinginkan (untuk kaedah lain sintesis graphene, lihat Graphene: Kaedah Baru Pengeluaran dan Kemajuan Baru, Elemen, 30 September 2008).

Sering kali berlaku dengan penemuan hebat, saintis agak bertuah. Hakikatnya adalah sukar untuk mengesan graphene dalam plat grafit tipis ketebalan nonuniform menggunakan daya atom dan mikroskop elektron pengimbasan. Oleh itu, untuk mencari grafit monolayer, Geim dan Novoselov menggunakan mikroskop optik biasa.Ketebalan substrat silikon oksida (300 nm) di mana plat grafit yang dipindahkan sangat dipilih, kerana gangguan cahaya, kawasan ketebalan yang berbeza mempunyai warna mereka sendiri (Rajah 3). Kawasan yang paling tidak berkesudahan, hampir tidak berwarna berpadanan dengan kawasan-kawasan nipis. Ia adalah antara mereka yang digambarkan oleh graphene. Baru-baru ini, Geim dan Novoselov dan rakan-rakannya, menggunakan mikroskop berkuatkuasa atom, yakin bahawa rantau yang mereka temui memang satu lapisan dan boleh dipanggil graphene.

Rajah. 3 Di sebelah kiri: Gambar plat grafit ketebalan yang tidak seragam. Ketebalan bahagian individu ditunjukkan secara langsung dalam gambar (nilai-nilai ini diperoleh menggunakan mikroskop berkuat kuasa atom). Panjang bar skala 50 mikron. Di sebelah kanan: imej graphene yang diperoleh dengan mikroskop berkuatkuasa atom. Rantau hitam sepadan dengan substrat silikon teroksida, rantau oren gelap dengan ketebalan 0.5 nm adalah graphene, rantau oren berwarna gelap mengandungi beberapa lapisan graphene dan tebal 2 nm. Imej dari bahan tambahan untuk artikel oleh K. S. Novoselov, A. K. Geim et al. Kesan Medan Elektrik dalam Filem Karbon Nipis Atom di Malaysia Sains

Walaupun saiz kristal grafena pertama diperoleh adalah kecil (kira-kira 1 mikron), para saintis menyambungkan elektrod ke sampel yang diperoleh menggunakan alat khasuntuk mengkaji sifat-sifat elektronik bahan baru.

Properties Graphene

Penemuan Andrei Heim dan Konstantin Novoselov menimbulkan demam graphene yang nyata. Hanya dalam beberapa tahun, ahli teori dan penguji dari makmal yang berbeza menjalankan kajian komprehensif mengenai sifat graphene (kumpulan Heim dan Novosyolov di Universiti Manchester masih menjadi salah seorang pemimpin dalam bidang ini).

Hampir dengan serta-merta ia menjadi jelas bahawa sifat-sifat elektronik bentuk baru karbon pada asasnya berbeza dari sifat-sifat bahan tiga dimensi. Khususnya, eksperimen mengesahkan ramalan teori tentang penyebaran linear elektron. Tetapi ahli fizik tahu bahawa foton, zarah beramai-ramai yang menyebarkan di angkasa pada kelajuan cahaya, mempunyai kebergantungan tenaga yang sama pada nadi. Ternyata elektron dalam graphene, seperti foton, tidak mempunyai jisim, tetapi bergerak 300 kali lebih lambat daripada foton dan mempunyai caj bukan sifar. (Untuk mengelakkan salah faham, kita menekankan bahawa jisim sifar elektron diperhatikan hanya dalam graphene. Jika elektron sedemikian boleh "ditarik keluar" dari graphene, maka ia akan memperoleh sifat biasa.)

Undang-undang linear penyebaran elektron, dan fakta bahawa mereka adalah fermion (mempunyai spin separuh integer), menjadikannya tidak perlu menggunakan persamaan Schrödinger, seperti dalam fizik keadaan pepejal, tetapi persamaan Dirac untuk menggambarkan graphene. Oleh itu, elektron-elektron di dalam grafena disebut ferms Dirac, dan bahagian-bahagian tertentu struktur kristal graphene, yang mana undang-undang penyebaran adalah linear, adalah titik Dirac.

Oleh kerana ciri-ciri tingkah laku elektron dalam dua dimensi karbon adalah wujud dalam zarah-zarah relativistik (dengan kelajuan gerakan dekat dengan kelajuan cahaya), ia menjadi mungkin untuk menyelidik secara eksperimen di Graphene beberapa kesan daripada fizik tenaga tinggi (contohnya, paradoks Klein), yang biasanya dikaji dalam akselerasi zarah yang dikenakan . Oleh itu, graphene secara bergurau dipanggil "desktop CERN" (CERN ialah Pusat Penyelidikan Nuklear Eropah, Collier Hadron Besar berfungsi di bawah naungannya).

Pada skala makroskopik, undang-undang penyebaran linear membawa kepada fakta bahawa graphene adalah semimetal, iaitu, semikonduktor dengan jurang band sifar, dan kekonduksiannya dalam keadaan normal tidak kalah dengan tembaga.Selain itu, elektronnya sangat sensitif terhadap kesan medan elektrik luaran, jadi pergerakan pembawa caj di graphene pada suhu bilik secara teorinya dapat mencapai paras rekod – 100 kali lebih tinggi daripada silikon dan 20 kali lebih banyak daripada gallium arsenide. Kedua-dua semikonduktor, bersama-sama dengan germanium, paling sering digunakan untuk menghasilkan pelbagai peranti berteknologi tinggi (litar bersepadu, diod, pengesan, dan sebagainya), dan kerana kelajuan dan kecekapan kerja mereka ditentukan hanya oleh mobiliti elektron, semakin besar kuantiti ini, peranti berfungsi lebih cepat dan lebih produktif.

Graphene menetapkan rekod untuk kekonduksian terma. Kekonduksian haba yang diukur karbon dua dimensi adalah 10 kali kekonduksian terma tembaga, yang dianggap konduktor haba yang sangat baik. Menariknya, sebelum penemuan graphene, tajuk konduktor haba yang terbaik adalah milik karbon allotropic yang lain – nanotube karbon. Graphene meningkat angka ini hampir 1.5 kali.

Untuk kejelasan, kami menganggap sebuah tempat tidur hipotetikal dari graphene dengan luas 1 m2. Mengetahui ketumpatan permukaan graphene (0.77 mg / m2), mudah untuk mengira bahawa tempat tidur gantung tersebut mempunyai jisim 0.77 miligram. Walaupun kerapuhannya kelihatan, tempat tidur buaian ini akan menenangkan kucing dewasa (beratnya kira-kira 4 kg). Dan walaupun disebabkan oleh dua-dimensi graphene, adalah salah untuk membandingkan ciri kekuatannya dengan bahan 3D lain, untuk buaian keluli dengan ketebalan yang sama, jisim "kritikal" yang membawa kepada pecah akan menjadi 100 kali lebih kecil. Iaitu, graphene adalah dua perintah magnitud yang lebih kuat daripada keluli.

Rajah. 4 Contoh hipotesis yang menunjukkan kekuatan mekanik graphene. Tempat tidur gantung Graphene 1 m2 (jisimnya kurang daripada satu miligram) mampu menahan kucing dewasa yang beratnya 4 kg. Sebagai perbandingan: buaian keluli di kawasan yang sama (jika kita boleh menjadikannya ketebalan yang sama) akan memegang 100 kali lebih kecil – hanya 40 g. Imej dari nobelprize.org

Bagi sifat-sifat optik, graphene menyerap hanya kira-kira 2.3% cahaya yang boleh dilihat tanpa mengira berapa lama sinaran yang ada padanya. (Ia adalah penasaran bahawa dalam pengiraan teori 2.3% ini dinyatakan melalui produk nombor π dan pemalar struktur halus α, yang menentukan kekuatan interaksi elektromagnetik.) Ini bermakna bahawa graphene hampir tidak berwarna (iaitu, kepada pemerhati luar ia akan kelihatanbahawa tidak ada buaian grafene, dan kucing di ara. 4 digantung di udara).

Prospek graphene

Pada masa ini, projek yang paling dibincangkan dan popular adalah penggunaan graphene sebagai "asas" mikroelektronik baru, yang direka untuk menggantikan teknologi sedia ada berdasarkan silikon, germanium dan galium arsenide (Rajah 5). Mobiliti caj tinggi bersama-sama dengan ketebalan atom menjadikan graphene sebagai bahan yang ideal untuk mewujudkan transistor kesan-kesan yang kecil dan pantas – "batu bata" industri mikroelektronik. Dalam hal ini, perlu diperhatikan penerbitan 100 Transistor GHz dari Wafer Scale Epitaxial Graphene, yang muncul dalam salah satu daripada isu-isu majalah bulan Februari Sains untuk tahun ini. Penulis karya ini, kakitangan makmal IBM, berjaya membuat transistor graphene beroperasi pada kekerapan 100 GHz (ini adalah 2.5 kali lebih tinggi daripada kelajuan transistor dengan ukuran yang sama dibuat pada dasar silikon).

Rajah. 5 Graphene dianggap sebagai asas mikroelektronik masa depan. Gambar dari thebigblogtheory.wordpress.com

Gabungan ketelusan, kekonduksian elektrik yang baik dan keanjalan graphene membawa kepada idea untuk menggunakannya semasa membuat paparan sentuh dan sel foto untuk sel solar.Dalam perjalanan eksperimen, terbukti bahawa peranti berasaskan graphene jenis ini lebih baik daripada hampir semua indeks peranti berasaskan indium-tin oksida (ITO) yang digunakan saat ini.

Untuk menunjukkan betapa menjanjikan adalah graphene, marilah kita jauh dari senarai lengkap bidang-bidang di mana penggunaannya sudah bermula:

  • ia adalah bahan untuk pembuatan elektrod dalam ionistor – kapasitor dengan kapasiti yang besar, dari urutan 1 F (farad) dan banyak lagi;
  • berdasarkan graphene, sensor gas mikrometer dicipta yang dapat "merasakan" walaupun satu molekul gas;
  • menggunakan graphene, saintis melakukan penjujukan DNA;
  • dalam kombinasi dengan laser, graphene boleh menjadi ubat untuk kanser (lihat. Kaedah untuk merawat kanser dengan graphene dan laser, Unsur-unsur, 7 September 2010).

Dalam keadilan, kita perhatikan bahawa kejayaan yang berkaitan dengan penggunaan graphene adalah, pada masa ini, terpencil. Kesukaran utama terletak pada sintesis lembaran graphene murah yang berkualiti tinggi, mempunyai bentuk yang stabil. Walau bagaimanapun, penerbitan terbaru mengenai graphene, memberi inspirasi kepada beberapa keyakinan. Pada bulan Jun tahun ini dalam jurnal Alam Nanoteknologi Artikel bersama oleh ahli teknologi Korea, Singapura dan Jepun muncul di mana mereka menulis tentang mendapatkan 30 inci (72 cm berbanding dengan saiz mikrometer dari kristal graphene pertama) lembaran graphene dengan kaedah yang boleh meletakkan pengeluaran karbon dua dimensi pada aliran. Dan kemudian, mungkin, perbualan bahawa Hadiah Nobel dalam Fizik untuk 2010 untuk 2010 dikeluarkan kepada graphene sebagai jenis bayaran pendahuluan untuk masa depan akan berkurang.

Pemenang artikel asal: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. Kesan Medan Elektrik dalam Filem Karbon Atom Nipis // Sains. V. 306. P. 666-669. 22 Oktober 2004.

Sumber:
1) Senarai penerbitan kumpulan Andrei Heim dan Konstantin Novoselov di laman web Universiti Manchester (akses terbuka).
2) Hadiah Nobel dalam Fizik 2010 – maklumat rasmi dari Jawatankuasa Nobel.

Lihat juga:
1) Graphene – kisi atom yang sempurna (PDF, 1.44 Mb) – siaran akhbar Jawatankuasa Nobel.
2) Graphene. Perbandingan saintifik Fizik Akademi Sains Diraja Sweden (PDF, 1.07 MB) – latar belakang saintifik.
3) Graphene: kaedah baru untuk mendapatkan dan pencapaian baru-baru ini, "Elements", 09/30/2008.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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