№ 41 (4031) от 22 октября 2010:

• Госэкзамен в МИРЭА
• "Структура ядра: новые достижения"
• Семинар памяти академика А.Н.Сисакяна
• Слово об Алексее Сисакяне
• MSSMBS-2010: от моделирования - к созданию нового мира
• С успешной защитой!
• Нобелевская премия 2010 года
• МТС - ОИЯИ: вторая волна оСИМенения
• Вослед ушедшим (М.И.Широков)
• "Такие люди - опора России"
• Вечера, концерты
• НОВОСТИ

Версия № 41 в формате pdf

Комментарий к событию

Нобелевская премия 2010 года (и не только)

Редакция обратилась к заместителю директора Лаборатории теоретической физики ОИЯИ, заведующему кафедрой "Нанотехнологии и новые материалы" Университета "Дубна" профессору Владимиру Осипову с просьбой прокомментировать значение работы бывших российских ученых, удостоенной недавно Нобелевской премии по физике.

Вполне ожидаемая новость

Нобелевская премия по физике 2010 года присуждена профессорам Манчестерского университета Андрею Гейму и Константину Новоселову - "за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена". Это стало вполне ожидаемой новостью для специалистов. К примеру, начиная примерно с 2008 года во время публичных выступлений, посвященных современным нанотехнологиям и физике углеродных наноструктур, я постоянно подчеркивал, что рано или поздно Гейм и Новоселов получат эту престижную премию. Подобное мнение высказывали и многие другие российские и зарубежные ученые. Для этого были очень весомые основания. Дело в том, что экспериментальное получение монослоя графита - графена - в 2004 году привело к необычайному всплеску научной активности по его изучению.

Причин здесь несколько, и стоит остановиться на них подробнее. Некоторое время назад просто постановка задачи получения монослоя графита вызвала бы как минимум недоумение, поскольку сам факт существования двумерного кристалла противоречит известным законам физики, в частности, теореме Мермина-Вагнера, согласно которой длинноволновые флуктуации разрушают дальний порядок в таких кристаллах. Иными словами, тепловые флуктуации должны приводить к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре. В случае графена решение было найдено: монослой нужно поместить на подложку - например, кремниевую. А когда, наконец, удалось получить свободный графен, то оказалось, что он имеет волнистую структуру, то есть налицо "выход" в третье измерение, что уже не противоречит фундаментальным законам. Следует отметить, что предшествующие успехи с синтезом других углеродных нанообъектов - фуллеренов (Нобелевская премия по химии 1996 года), трубок, конусов и других - уже где-то в конце 90-х годов прошлого столетия стимулировали попытки ученых получить графен. В ряде ведущих лабораторий мира велись направленные исследования по получению ультратонких графитовых слоев. Но Новоселов и Гейм оказались первыми, кто применил так называемый механический способ получения монослоя с использованием хорошо всем знакомого скотча, и добились нужного результата. Практически следом появились альтернативные методы: химические, эпитаксия (осаждение из газовой фазы) и ряд других.

Набор уникальных свойств

Сам факт получения графена вряд ли бы удостоился столь высокой премии. Действительно, хотя атомарная толщина и позволяет отнести графен к классу популярных сейчас наноматериалов, но для практических целей требуется важное дополнение, связанное с наличием принципиально новых функциональных характеристик. И именно здесь графен оказался вне конкуренции: у него обнаружился целый набор уникальных свойств, прямо связанных с его разнообразными функциональными возможностями. Прежде всего, это большая механическая прочность (прочнее алмаза) и, одновременно, высокая эластичность. Электропроводность и теплопроводность выше, чем меди. Специфические магнитные, оптические и другие характеристики делают его необычайно перспективным материалом для практического использования. Различные типы дефектов в данном материале и разнообразные внешние воздействия приводят к существенной модификации его физических свойств, прежде всего, электронных характеристик, что уже находит важные приложения в наноэлектронике. В целом интерес к теоретическому и экспериментальному исследованию графенов различной конфигурации (мембран, полосок, малослойных структур и т.п.) непрерывно возрастает в связи с возможностью создания принципиально новых электронных, фотонных, спинтронных, сенсорных и других типов устройств.

Удивителен тот факт, что теория монослоя графита была сформулирована более 60 лет назад канадским физиком Ф.Воллесом. Как это нередко бывает, долгое время она находилась в забвении по причине невостребованности - как некая экзотика, не более того. Сегодня цитируемость опубликованной работы Воллеса зашкаливает, и, несомненно, будь он жив, вполне заслуженно мог бы стать третьим лауреатом премии. Это, кстати, очередной яркий аргумент для чиновников к вопросу о сроках "отдачи" от фундаментальных исследований. Сейчас к проблеме теоретического исследования графена подключены ведущие мировые научные коллективы.

Урок методологии

Не скрою, приятно осознавать, что и теоретические результаты, полученные нашей группой в Дубне, были замечены и процитированы будущими Нобелевскими лауреатами в самом первом обзоре по графену, опубликованном год назад в престижном журнале Review of Modern Physics. В начале года моему ученику младшему научному сотруднику ЛТФ ОИЯИ В.Л.Каткову довелось обсудить с К.Новоселовым наши недавние результаты по электронной эмиссии с графенов на зимней школе в Австрии (см. фото).

Константин Новоселов и Всеволод Катков у стенда ОИЯИ на школе IWEPNM-2010, Австрия, март 2010 г.

Вместе с тем с сожалением отмечу, что фактически мы в очередной раз получили урок на тему современной методологии проведения экспериментальных исследований в области новых материалов. Не только и не столько получение монослоя графита, а именно всестороннее исследование данного материала, обнаружение ряда уникальных характеристик графена привело к заслуженной премии. Мне уже неоднократно приходилось высказывать мнение о необходимости проведения на базе ОИЯИ комплексных экспериментальных исследований в области физики конденсированных сред. Да, у нас есть первоклассная базовая установка для изучения структурных характеристик материалов. Но сегодня этого явно недостаточно. Чтобы конкурировать на мировом уровне, требуется современная химическая лаборатория для синтеза материалов, биологический блок, поскольку налицо прогрессирующая мировая тенденция к исследованию нанобиоматериалов и их возможных приложений в медицине. Необходимо также создать возможности для анализа механических, электронных, магнитных и прочих физических характеристик. То есть нужна хорошо оснащенная "материаловедческая" лаборатория. В этом кроется залог будущего успеха, и именно этим определяется привлекательность конкретного института для специалистов. Абсолютно прав А.Гейм, заметив, что не мешком золота для оплаты труда нужно решать проблему. Истинный исследователь тянется к первоклассному оборудованию как пчела к меду.

Здесь позволю себе небольшое отступление. На мой взгляд, активно разворачиваемые сегодня центры коллективного пользования вряд ли будут соответствовать ожиданиям ученого. Нетрудно познакомиться с высказываниями того же А.Гейма и понять, что лаборатория - это его дом, причем скорее первый, чем второй. А ЦКП по замыслу лично мне почему-то напоминает зал для транзитных пассажиров. Впрочем, это мое субъективное мнение, буду искренне рад ошибиться.

Новое время пришло?

Позади две "углеродные" Нобелевские премии: за фуллерены и за графен. Следует ли ожидать новых сюрпризов от углеродных структур? Если остановиться на приложениях, то да - здесь несомненен принципиальный прорыв в так называемом нанотехнологическом секторе. Уже сегодня сконструированы наноразмерные полевые транзисторы, основанные на использовании углеродных нанотрубок и графена, чипы, мониторы толщиной с бумажный лист. В ближайшей перспективе ожидаются сенсорные дисплеи и многое другое.

А как обстоят дела в области фундаментальных исследований? Какие новые парадоксы таят в себе углеродные наноструктуры? А может быть, что-то необычайно интересное будет выявлено при изучении других материалов, например топологических диэлектриков? В этом-то и состоит привлекательность таких исследований, что никакое прогнозирование здесь не работает. Повторю, наивно ожидать коммерческую выгоду от фундаментальной науки через 3, 5 и даже 10-20 лет. Что именно "выстрелит" в следующий раз, когда и где - это загадка. Но задача нормального цивилизованного общества - непрерывное поддержание необходимого уровня фундаментальных исследований: с тем, чтобы если и не поучаствовать, то хотя бы встретить новый научный прорыв во всеоружии.

Почему так эффективен западный стиль проведения научных исследований на базе университетов? Ответ вполне очевиден: развернутые там современные учебно-научные лаборатории экономически выгодны, так сказать "по определению". Ведь даже в случае отсутствия выдающегося научного результата каждый год страна получает новых хорошо подготовленных специалистов, способных успешно работать в сфере высоких технологий. Замечу, подготовленных не по картинкам в учебниках, а получивших практические навыки работы на сложном современном оборудовании, не выходя из стен университета.

В Дубне расположен ОИЯИ с уникальными базовыми установками, большим научным потенциалом и своим учебно-научным центром, и есть Международный университет "Дубна" с факультетом естественных и инженерных наук. Несомненно, такой тандем имеет прекрасные возможности для реализации эффективной модели научно-учебного исследовательского центра нового поколения. Новое время пришло?