Кампус МФТИ. Фото: Евгений Пелевин
Физтех, чьи выпускники получили Нобелевскую премию за открытие уникальных свойств графена, серьезно займется двумерной тематикой. Осенью здесь начал работу Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ. Разбираемся в исследовательских планах, коммерческих перспективах 2D, а также в том, получит ли Долгопрудный звание Russian Graphene City.
Визионеры и нанооптика
Директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентин Волков только что вернулся в Россию вместе со всей семьей, жить и работать в Долгопрудном. До этого ученый много лет проработал в Университете Южной Дании под началом выпускника Физтеха Сергея Божевольного. Божевольный, известный специалист по нанооптике, входит в список самых цитируемых ученых мира в области физики. Он был одним из тех, кто уехал работать за границу в девяностые годы, построил там серьезную академическую карьеру, но при этом связей с родным университетом не терял. По его рекомендации в середине нулевых группа исследователей МФТИ обратила свое внимание на наноразмерные структуры, так возникла лаборатория нанооптики и плазмоники. Именно Божевольный привлек к работе на Физтехе своего сотрудника и выпускника физфака МГУ Валентина Волкова — последние несколько лет он возглавлял лабораторию в качестве приглашенного профессора.
Валентин Волков с семьей
Волков был привлечен в МФТИ как специалист по ближнепольной микроскопии — это методика, которая позволяет заглянуть в наномир и исследовать его оптические свойства. «В то время мы занимались наноразмерной оптоэлектроникой, но при этом всегда держали в голове двумерную тематику и понимали, что надо двигаться в этом направлении», — вспоминает заместитель директора центра Алексей Арсенин. Однако долгое время о графене в контексте оптики серьезно никто не говорил.
Работы Андрея Гейма и Константина Новосёлова, за которые ученые получили Нобелевскую премию по физике, были посвящены главным образом электрическим и механическим свойствам графена: как материал ведет себя при низкой температуре, какова подвижность электронов. Казалось, что эти исследования поставили точку в вопросе того, что из себя представляет графен. Его оптические свойства начали изучаться многим позже, и только в 2012 году в графене обнаружили плазмоны. В этот момент все окончательно сошлось.
«На Физтехе меня заинтересовали двумерной тематикой еще до того, как она приобрела такую популярность в мировой науке, как это есть сейчас. Тем не менее мы не сразу начали двигаться в эту сторону, было неясно, как подступиться. Но с открытием плазмонов в графене мы поняли, что этот материал нам совершенно не чужд. Плазмоны были абсолютно нашей тематикой. Мы стали читать, смотреть на это уже сквозь призму своей экспертизы – думать, что мы непосредственно можем привнести в эту область. Сейчас уже идет настоящий бум на исследования с графеном, связанные с оптикой, и нам приятно думать, что мы во многом были визионерами в этом вопросе», — расказывает Валентин Волков.
Концепция центра
По сути, двумерные материалы — это новый физический базис. На нем строится все: оптика, механика, термодинамика. К 2D можно подступиться с разных сторон, а потому области исследований, где такие материалы могут быть применимы, чрезвычайно разнообразны.
Именно этот постулат заложен в концепцию устройства Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Его работа разделена на шесть блоков: 2D-материалы, 2D-электроника, 2D-фотоника, 2D-био, 2D-квантовые технологии и 2D-энергетика. Несмотря на то, что работа разделена по направлениям, основная идея — создать на базе центра единое пространство для исследователей из разных областей.
Междисциплинарность — это то, что лежит в основе современной науки, а в случае с двумерными материалами такого подхода просто не избежать. Для работы с ними нужны специалисты из разных областей и решения на стыке их экспертизы. «Вы не можете просто предписать ученым делать междисциплинарные исследования и посадить их после этого по разным кабинетам, — рассуждает Валентин Волков. — Люди должны пересекаться, и не только непосредственно за работой. Многие неожиданные решения рождаются в неформальной обстановке: во время перерыва, за кофе, за случайным разговором, когда кто-то просто зашел в соседнюю комнату. Наша задача — создать такую среду, в которой исследователям из разных областей будет естественно и органично работать друг с другом».
Валентин Волков
Международный опыт
Каждый блок будет курировать ученый с большим, в том числе международным опытом. Задача такого ученого — задавать общий вектор для исследований, показывать, в какую сторону необходимо двигаться.
Известно, что Лев Ландау, один из идейных основателей МФТИ, в принципе опровергал возможность существования таких материалов, как графен. Спустя больше полувека двое выпускников Физтеха, Андрей Гейм и Константин Новоселов, получили Нобелевскую премию по физике за открытие уникальных свойств графена, отделив его от образца графита при помощи обычного скотча.
С тех пор опубликовано более 150 тысяч научных работ, посвященных графену и другим двумерных материалам. Их насчитывается уже больше сотни, так что можно говорить о создании новой таблицы Менделеева – теперь в 2D.
Так, например, исследования в области двумерной фотоники будут проводиться в сотрудничестве с известным специалистом в этой области, американским профессором Андрэ Алю.
Будучи достаточно молодым ученым, Алю является автором более 200 научных работ с индексом Хирша 93 и сейчас возглавляет подразделение фотоники в Центре перспективных исследований Городского университета Нью-Йорка. Двумерные материалы Алю рассматривает как одну из самых перспективных и интересных областей. Поэтому он согласился сотрудничать с Центром МФТИ, где есть возможность проводить передовые исследования, работая с талантливыми молодыми людьми, — на Физтехе традиционно высокая концентрация тех, кто готов браться за решение нестандартных, на первый взгляд в принципе нерешаемых задач.
Надо всей этой конструкцией учреждена еще одна — Международный консультативный совет. Так ученые хотят, с одной стороны, усилить экспертизу центра и его вес в глазах мирового академического сообщества, а с другой — обеспечить максимальную открытость. Совет согласился возглавить Нобелевский лауреат Константин Новосёлов.
Коммерциализируй это
Отдельная большая задача в концепции работы Графенового центра МФТИ — создание инжинирингового подразделения, которое займется трансфером технологий в бизнес и коммерциализацией новых разработок. Дело в том, что ученые, которые создали в лаборатории ту или иную технологию, не могут и не должны отвечать за то, чтобы вывести ее на рынок, — это не их работа. Во всем мире этим занимаются отдельные специалисты, которые изучают рынок, привлекают к сотрудничеству крупные компании, запускают стартапы. Подразделения с такими специалистами работают при всех основных мировых центрах, которые проводят исследования по двумерной тематике. Например, в Манчестере, где Гейм и Новосёлов сделали свои открытия, под это построен отдельный центр — Graphene Engineering Innovation Centre.
В лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ
Как правило, подразделения, занимающиеся коммерциализацией, финансируются за счет коммерческих компаний, которые ищут для себя перспективы применения 2D. Западный бизнес вообще проявляет достаточно большой интерес к новым материалам. Исследования с двумерными материалами проводят лаборатории практически всех технологических компаний из списка Fortune 500 — рейтинга крупнейших с точки зрения выручки мировых компаний. Среди корпораций, которые вкладываются в исследования с графеном, такие гиганты, как IBM, Boeing, Lockheed Martin, Samsung и LG.
В России бизнес пока не так заинтересован в двумерных материалах. Возможно, причина в отсутствии на российском рынке достаточного количества специалистов, способных донести до крупных компаний важность и актуальность области исследований, на которую в мире тратят миллиарды долларов. Технологическое предпринимательство — довольно молодая по мировым меркам область, и на то, чтобы подготовить людей, нужно время. Пока это единичные специалисты, которые точечно и часто на ощупь работают над каждым проектом. Решить эту задачу и расширить возможности по коммерциализации будущих разработок Центр планирует за счет создания образовательных программ совместно с кафедрами РВК и технологического предпринимательства МФТИ-Роснано. «На самом деле у всех, кто сейчас занимается графеном и другими двумерными материалами что за границей, что в России, есть очень серьезная задача — донести до крупных игроков то, насколько большой потенциал несет в себе область 2D. Исследователям это абсолютно очевидно, и потому во многом на нас лежит ответственность правильно это коммуницировать и добиться того, чтобы нас услышали», — рассуждает Алексей Арсенин.
Graphene Engineering Innovation Centre. Источник: The University of Manchester
Двумерное будущее
Оценить, каким будет рынок графена и других материалов в перспективе 10–20 лет, очень сложно. Текущая оценка объема рынка графена составляет 1,4 млрд долларов. По прогнозам аналитической компании Adroit Market Research, среднегодовой темп его роста до 2025 года будет находиться на уровне 25,2%. По данным компании McKinsey, рынок графеновой полупроводниковой индустрии на 2030 г. оценивается в 70 млрд долларов. Рынок связанных полупроводниковых технологий по этим же оценкам составит 190 млрд долларов — сюда входят обработка данных, беспроводные коммуникации, бытовая электроника. Цифры хоть и внушительные, но по сути мало относящиеся к реальности. Даже текущие прогнозы не учитывают целый ряд связанных с графеном технологий: сенсоры, нейроинтерфейсы, композитные материалы, системы очистки воды и многое другое.
Перспективы применения двумерных материалов не просто широки, фактически они безграничны. В среднесрочной перспективе двумерные материалы и технологии на их основе станут элементной базой для развития технологий искусственного интеллекта, робототехники, аэрокосмоса и ряда других технологий. Сейчас никто точно не может сказать, в какой именно области «выстрелит» 2D, особенно учитывая количество новых материалов. Пока ученые ищут, что станет графеновым killer application — точкой приложения, после которой двумерные материалы прочно войдут в повседневную жизнь. Однако уже понятно, что графен не будет просто «материалом из лаборатории», а приведет к созданию технологий XXI века.
«Сейчас мы находимся в той точке, когда у нас есть все шансы побороться за лидерство. Если все делать правильно, то уже в перспективе ближайших лет можно будет говорить о Долгопрудном как о новом графеновом мегаполисе — Russian Graphene Сity», — с оптимизмом, присущим только большим исследователям, заключает Валентин Волков.
