Александр Окотруб: Графен позволит человечеству совершить новый эволюционный скачок

Одно из последних открытий ученых произвело в научном сообществе сенсацию. Полученный химиками материал из углерода — графен —может стать толчком для свершения новой научно-технической революции. Такой прогресс обеспечат уникальные электронные и механические свойства «черного порошка», полученного из графита

В прошлом году за проведение фундаментальных исследований, открывших путь дальнейшим работам в этой области, Нобелевской премии были удостоены ученые Великобритании, бывшие наши соотечественники А. Гейм и К. Новоселов. Фантастические перспективы применения нового материала заставили ученых всего мира окунуться в исследования уникальных свойств графена. О том, какие разработки в данной области ведутся в Новосибирске, рассказывает заведующий Лабораторией физикохимии наноматериала Института неорганической химии им. А. В. Николаева Александр Окотруб.

— Александр Владимирович, расскажите, что такое графен, какова предыстория его открытия?

— Графен — эта «тонкая» часть (всего один слой) хорошо известного материала — графита. Теоретические споры о возможности существования графена шли давно, практически с середины прошлого века. Однако до практического получения дело не доходило, необходима была уверенность в успехе Константина Новоселова, чтобы начать такую работу. Более того, даже получив графен 50 или 20 лет назад, непонятно было бы, что с ним делать, т. к. не существовало соответствующей научно-технической базы.
За последние шесть лет был произведен колоссальный рывок в исследовании графена и его применении, в частности в электронике. Залог успеха А. Гейма и К. Новоселова — наличие ясного понимания проблемы и хорошее, адекватное задаче оборудование.

К. Новоселов придумал способ отщепления графена на поверхности кремниевой  подложки. Крошечная сборка размером 10—20 микрон с контактами на кремниевой подложке опускается в сосуд при температуре жидкого гелия и приложенном магнитном поле. Таким образом удалось измерить ряд квантовых эффектов и доказать, как предсказывали теоретики, что скорость движения носителей заряда становится сопоставимой со скоростью света. Надо сказать, что теоретических расчетов графена, в самых разных приближениях, было сделано за последние 50 лет немало. Подобные теоретические задачи решаются студентами физических факультетов университетов во всем мире. В практическую реализуемость такого материала никто не верил, слишком это противоречило наблюдаемым данным по измерению свойств графита. А оказалось, что, отсоединив слой графита, мы получаем совершенно новый материал. Когда его уникальные свойства были подтверждены, начался графеновый бум.

— Чем же так уникальны найденные свойства нового материала, каково влияние графена на развитие человечества?

— Прикладное значение химической науки заключается в создании современных материалов с новыми улучшенными или усиленными свойствами, которые могут применяться для повседневных нужд. Так было со сверхпроводниками, полупроводниками, магнитными структурами, так будет и с углеродными наноструктурами. Многие достижения в области углеродных материалов, таких как фуллерены, нанотрубки и графен, указывают, что их широкое внедрение перевернет всю нашу жизнь. Посмотрите на бурное развитие электронной техники: высокое быстродействие, огромные объемы памяти, сенсорные и исполнительные устройства современной электроники значительно преобразовали жизнь современного человека. Тем не менее, несмотря на стремительное развитие, сейчас мы приближаемся к некоему пределу, когда дальнейшие возможности полупроводниковых кремниевых технологий будут исчерпаны. Так вот, применение графена в электронике позволит создавать более мощные компьютеры, системы, помогающие человеку в сложном техногенном мире. Графен — это не только один из потенциальных путей создания новой электроники, но и новый эволюционный скачок человеческой цивилизации.

— Значит, чтобы шагать в ногу со временем, российские ученые просто обязаны заняться исследованиями графена?

— Сегодня ученые всего мира активно работают в данном направлении. Созданы современные центры по исследованию и применению графена во многих странах мира: Англии, США, Сингапуре, Китае и других. К сожалению, в России подобного центра пока нет. Конечно, научные исследования в данном направлении ведутся и в Москве, и в Новосибирске. Но это капля в море. Я уверен, что критической массы исследований в данном направлении для создания технологий графена в России не хватит. Конечно, мы можем подождать, когда эти технологии откроют коллеги из других стран, а потом будем их внедрять у себя. Но уже за баснословные деньги, разумеется!
Системы на основе графена уже сейчас внедряются в жизнь, активно патентуются. А Россия в этом процессе практически не участвует. С таким подходом к науке цивилизация обойдет нас стороной. А нам останется и дальше продавать нефть и на проданные средства жить...
К счастью, есть еще ученые, которые делают все возможное, чтобы продолжать важнейшие для всего общества исследования. Но все эти «барахтания утопающего», на мой взгляд, не принесут должного успеха до тех пор, пока науку не будут активно развивать на уровне государства. В настоящий момент актуальным является привлечение в науку грамотных молодых людей, которые будут креативно мыслить, создавать новые материалы и изучать их свойства. А для этого необходима поддержка научных институтов, опытных ученых, еще сохранившихся в стране, и, естественно, обеспечение научных исследований оборудованием в новых современных лабораториях и институтах.
Не могу удержаться от сравнения подходов к науке с Китаем. Они не жалеют инвестиций в развитие науки: вложены большие средства в хорошие приборы, на проведение исследований, огромные средства вкладываются в строительство современных научных центров взамен «старых», 20-летних. Нашему институту больше
50 лет, а строить новые современные корпуса никто не собирается.

— Какие исследования графена ведутся в Институте неорганической химии СО РАН?

— ИНХ СО РАН имеет богатый опыт в синтезе и химической модификации углеродных наноматериалов. Лаборатория профессора И. И. Яковлева много лет назад занималась модификацией графита. Им удалось его немного подрасщепить, вставив между слоями дополнительные атомы и молекулы. Впрочем, даже расщепив графит полностью, наши ученые не смогли бы это увидеть, так как слой графена очень тоненький, практически прозрачный, а имеющееся 30—40 лет назад оборудование с этой задачей бы не справилось. В направлении химической модификации графена, исследования возможности придания ему новых электронных свойств работает и наша лаборатория. Сегодня многие ученые в мире бьются над задачей — сделать производство нового материала простым и доступным. На данный момент стоимость графена очень высока, хотя из одного грамма графита можно получить лист в сотни квадратных километров графена. Но пока только теоретически, так как массовой технологии расщепления слоистого трехмерного материала пока не существует. Свой подход в решении этой проблемы предлагает группа профессора В. Е. Федорова из нашего института. В этой лаборатории разработаны методики синтеза терморасширенного графита, свойства которого приближаются к свойствам графена. Уже сегодня этому материалу есть реальные применения, например, в качестве сорбционного материала для очистки воды, для создания электропроводящих и оптически прозрачных покрытий. Значительные достижения в создании и исследовании графена имеет Институт физики полупроводников СО РАН. Лаборатория профессора В. Я. Принца активно идет по пути создания монослоев углерода для использования в электронных приборах.
Одна из основных проблем ученых, занимающихся исследованиями графенов в Новосибирске, — отсутствие современного технологического и диагностического оборудования. Вся качественная электронная и оптическая микроскопия производится только за рубежом и стоит очень немало. Сейчас в Сибирском отделении наук имеется  всего два новых электронных микроскопа: в НГУ и ИФП СО РАН. Поэтому ученым приходится пользоваться альтернативными методами диагностики, к примеру, более простыми микроскопами, которые имеются во многих институтах Сибирского отделения. Именно в обычный поляризационный микроскоп первооткрыватель К. Новоселов разглядел графен. А это, на самом деле, было весьма неожиданно: увидеть очень тонкий слой атомов углерода. Четыре года назад, после визита в Манчестер, мы приобрели аналогичный микроскоп в нашу лабораторию.
Сегодня ученые ИНХ СО РАН умеют получать фторированный графит. При этом можно очень точно варьировать количество C-F связей в образце. Однако отсутствие в институте современного рентгеноэлектронного спектрометра резко снижает скорость проведения исследований.
Открытие графена усилило интерес ученых и к другим углеродным материалам: нанотрубкам, фуллеренам, наноалмазам. Все это углеродное семейство сегодня представляет очень интересную смесь для будущих приложений как в электронике, так и в создании композитных материалов с заданной проводимостью, высокой прочностью, а также для создания систем накопления энергии, к примеру, в тех же самых аккумуляторах.
Фторграфит, синтезируемый в нашей лаборатории, можно рассматривать как некий материал, который представляет собой слои графена, в котором электроны не делокализованы по системе, а частично локализованы. Свойства такого материала совсем другие, хотя история происхождения общая — он, как и графен, произошел из графита. Наша заслуга была в том, что мы получили на поверхности фторграфита проводящий графеновый слой с измененными оптическими, электрическими и магнитными свойствами.
Одним из последних открытий лаборатории А. Гейма является публикация 2011 года в Science о возможности управления спиновыми состояниями носителей заряда при пропускании через графен электрического тока. Этот эффект наверняка можно будет использовать для хранения и передачи информации в будущих компьютерах, работающих на принципах новой современной науки спинтроники. Практически это означает понижение на порядки тепловыделения в компьютерных цепях, увеличение плотности сборки микросхем и дальнейшее увеличение их мощности. Но пока все эти исследования на стадии разработок. Чтобы получить реальный объект на основе научных открытий, нужно провести очень много исследований.
Практические свойства новых материалов ищем и мы в нашей лаборатории. Например, созданный нашими учеными на поверхности фторграфита слой графена имеет исключительно хорошие сенсорные свойства. Можно помечтать, что благодаря химическому воздействию на разные углеродные структуры, такие как нанотрубки, графены, наноалмазы, можно будет разработать и изготовить практически любую электронную схему. Наноэлектроника станет следующим шагом развития нашей цивилизации.

— Если бы вам удалось встретиться с президентом России и обсудить проблемы развития отечественной науки, что бы вы ему сказали?

— Многое бы сказал. Главное, — убедить его в том, что отношение к науке нужно менять. Чтобы создать интеллектуальное, развитое общество, к которому мы стремимся, нужно в первую очередь не жалеть для этого средств. Купить хорошее оборудование, на котором ученые создадут новые технологии. Впоследствии разработки внедрять в производство, что позволит выпускать высокотехнологичную продукцию. Именно так действовали китайские власти, сделав ставку на инновации. Для своих научных институтов они закупили импортное оборудование, перспективные разработки, пригласили консультантов-ученых из Российской академии наук. И за 15—20 лет там было создано научное производство, которое стало, пожалуй, самым мощным в мире. Поражает у них и само отношение к науке. В Пекине можно увидеть лозунг: «Да здравствует китайская наука!». В России много разговоров о поддержке науки и мало реальных шагов. Сейчас в стране 4 группы работают с графенами, в то время как необходимо 40 лабораторий. Еще немного, и при таком отношении к науке мы потеряем те рубежи, которые у нас еще пока остаются.

Беседовала Наталья Каменская