Графен, по мнению Константина Новоселова, — лучший проводник тока и тепла с самой высокой подвижностью электронов. На исследование этого материала Европейским союзом уже было выделено несколько миллиардов евро. В перспективе графен сможет заменить многие используемые сегодня материалы и открыть совершенно новые приложения. Но фундаментальная задача, стоящая сегодня перед исследователями, — создание для каждой задачи уникального по своим характеристикам материала с нуля, выращивая его атом за атомом или слой за слоем, используя разные химические элементы. О будущем двумерных материалов мы поговорили с участниками Международного конгресса по графену, 2D-материалам и их приложениям в Сочи, организованного МФТИ.
«Почему 2D-материалы так популярны? Я думаю, что одна из причин в том, что они представляют интересное сочетание новых физических явлений и потенциальных применений. Другая причина в том, что это совершенно новая материальная база: существуют сотни различных 2D-материалов, вы можете комбинировать их, выбирая на свое усмотрение тип материала, изменяя угол между ними», — размышляет руководитель исследовательской группы в Каталонском институте нанонаук и нанотехнологий (Испания) Клаас-Ян Тиелрой.
Двумерные материалы обладают удивительными свойствами: то, что вы можете увидеть один слой графена на просвет, само по себе уникально. Он обладает хорошей проводимостью, механически стабилен. Благодаря двумерности им очень легко управлять. Ведь чтобы управлять чем-то, нужно находиться на минимальном расстоянии от объекта. Если у вас имеется трехмерное твердое тело, вы не сможете управлять процессами, происходящими глубоко внутри него, имея доступ к его поверхности. Двумерный материал же весь перед вами, как лист бумаги. Вы можете дотянуться до каждой его точки, можете влиять на свойства каждого атома в двумерном материале просто из-за геометрии.
«Благодаря фундаментальной работе, проделанной Геймом и Новоселовым, во время которой они получили и начали изучать графен, мы узнали, что можно модулировать плотность носителей заряда в металлической системе. Это был шок! Потом люди поняли, что электроны в графене ведут себя словно безмассовые электроны в вакууме. Удивительный результат для теоретиков. У ученых появилась возможность проверить многие теоретические предсказания, которые были сделаны еще в 1930-х годах», — вспоминает профессор Института материалов Арагона (Испания) Луис Мартин-Морено.
Кризис графена
Если какое-то открытие производит фурор, создает новую область науки, ученые массово начинают работать в этой сфере, объем знания быстро растет. Все самое масштабное достается первопроходцам, затем в какой-то момент волна интереса проходит. И эта новая область начинает медленно и рутинно продвигаться вперед сотнями ученых — так же, как и многие другие. Так было со многими открытиями. Графен сейчас менее популярен, потому что физика чистого графена уже хорошо известна, фундаментальных задач осталось не очень много, и люди больше задумываются о его применении. Если же ученые ищут новой интересной физики, привыкнув жить в плоском мире, они обращаются к другим двумерным материалам.
«Свойства однослойного графена уже достаточно хорошо изучены, хотя в этой области все еще выходят редкие интересные работы. Сейчас же интерес представляет двухслойный графен, у которого слои повернуты друг относительно друга, а также различные наноструктуры из графена. В мировой науке на первый план выходит и большое количество других экзотических двумерных материалов. К ним относятся материалы, которые обладают интересными магнитными свойствами: ферромагнетики и антиферромагнетики. Исследуют и оптически активные двумерные перовскиты, хотя с ними гораздо сложнее работать», — рассказывает научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ Юрий Стебунов.
Для двух слоев графена, слегка повернутых относительно друг друга, уже продемонстрирована сверхпроводимость при низкой температуре. Это интересный способ получать кристаллические структуры с новыми свойствами. Набор кристаллов в природе ограничен, так же появляется возможность создания новых кристаллов.
Алексей Кузьменко, старший научный сотрудник лаборатории оптики и роста кристаллов Университета Женевы (Швейцария), выпускник МФТИ:
— Для нас графен сам по себе — материал, который обладает таким интересным свойством, как релятивистская структура электронных уровней. Это дает новые магнитооптические свойства, например, очень сильное магнитооптическое поглощение, которое может быть свойственно только системам типа графена. Осталось много нерешенных вопросов, мы будем продолжать этим заниматься, пытаться делать структуры, которые состоят из графена и других соединений, делать периодические структуры — фотонные кристаллы.
Шире, чем графен
Графен привлек внимание людей к возможности получения других 2D-материалов. Теперь уже существуют двумерные сверхпроводники, полупроводники, металлические материалы, магнитные материалы, и все их можно комбинировать друг с другом.
«Свойства графена очень интересны для науки, и мы должны продолжать их исследовать. Графен открыл для нас возможность изучать другие двумерные материалы, которые также обладают весьма интересными свойствами и могут быть применены в ближайшем будущем. В конечном итоге мы дойдем до того, что сможем изготавливать высококачественный графен и 2D-материалы и внедрим их в производство. Думаю, будущее двумерных материалов обещает быть ярким!» — уверен профессор материаловедения Кембриджского университета (Великобритания) Маниш Чховалла.
Люди переключаются на другие соединения, и количество тех, кто занимается непосредственно графеном, уменьшается, хотя интерес к нему по-прежнему большой. Графен используется как составная часть систем из большого числа двумерных материалов, например, в гетероструктурах.
Мария Асенсио профессор Мадридского института материаловедения (ICMM) при Высшем совете по научным исследованиям Испании (CSIC):
— Меня в первую очередь интересует описание экзотических и неожиданных свойств новых низкоразмерных материалов. На самом деле это старые материалы, но при уменьшении размерности — количества атомных слоев — мы видим, как поведение вещества резко меняется и появляются интересные свойства. Наша цель — найти альтернативные «умные» материалы, которые смогут делать то же самое, что привычные нам кремний, углерод и другие материалы, только еще лучше, быстрее и дешевле.
Постепенно перестает представлять значительный интерес для широких масс ученых и изучение отдельных двумерных материалов. Ученые стали пытаться соединять разные 2D-материалы, что требует точного позиционирования одного слоя относительно другого. И так, слой за слоем создаются сложные структуры, напоминающие сэндвич. Используя такие двумерные кирпичики, можно получить трехмерный материал, которого никогда не существовало в природе. Однако, помещая один слой атомов поверх другого, нужно выдерживать расстояния между атомами в разных слоях одинаковыми. Невозможно соединить атом углерода с атомом меди, но в случае с двумерными материалами, можно поместить один материал поверх другого за счет ван-дер-ваальсовых сил, обеспечивающих притяжение между слоями атомов.
Разнообразие материалов, которые можно создать таким образом, невероятно обширно. Эта идея — революция в дизайне материалов, и именно поэтому на эту тему так много исследований. Однако работа ученого — изучение природы, поиск новых явлений. Естественно, на их основе потом можно создать технологии, но это совершенно независимый процесс.
Что дальше?
Скоро появятся одномерные кристаллы, и такой же фурор произведут они. Переход от трехмерных к двумерным кристаллам вызвал 200 тысяч научных публикаций. Сколько интересных исследований будет проводиться при переходе от двумерных материалов к одномерным, можно лишь гадать.
Одномерные материалы обладают совсем другими свойствами, да и просто непривычны для человека, в отличие от двухмерных или трехмерных. «Мы над этим уже работаем: делаем одномерные кристаллы из атомов углерода — карбины. Карбин — это просто цепочка, бусы из атомов углерода. В вакууме они скручиваются, их очень сложно растить длинными и прямыми, но мы их стабилизируем золотыми наночастицами и уже получили первую прямую цепочку длиной в несколько десятков атомов. Эта цепочка — полупроводник, она излучает желтый или оранжевый свет, даже содержит экситоны. Это очень интересный объект», — рассказывает директор Международного центра поляритоники университета Вестлейк в Китае, профессор университета Саутгемптона, руководитель лаборатории Оптики спина в Петербургском государственном университете и руководитель группы Квантовой поляритоники в Российском квантовом центре Алексей Кавокин.
Сложно в точности предсказать дальнейшее развитие физики двумерных, а позже и одномерных материалов. Скорее всего это направление будет все более рутинно развиваться все большим числом ученых по всему миру, пока не приведет к каким-то удивительным приложениям. Многие фундаментальные открытия десятилетиями ждали готовности технологий для своего применения. Время покажет. Но совершенно точно, что интерес к этой теме не будет спадать еще долго.
Кстати
При уменьшении размерности с трех до двух возникает совершенно новая физика, которая проявляет себя, например, в возникновении квантового эффекта Холла. В одномерных системах взаимодействие между частицами — в данном случае электронами — намного сильнее, потому что в одномерном пространстве электроны, сближаясь, вынуждены взаимодействовать друг с другом. В трех измерениях или в двух это не обязательное условие. Поэтому к одномерным системам ученые проявляют тоже очень много интереса, и есть теории, которые предсказывают крайне необычные явления в одномерных материалах.
