графен

Три години след първите експериментални резултати графенът обещава по-завладяващи физически приложения и приложения за сънища.

Графен, хвърлен върху силиконова вафла като копринен воал на повърхността. Най-интригуващата наука изглежда е скрита в тъканта на този въглероден лист. Изображение: Андре Гейм и Костя Новоселов

Понякога, когато големи средства се инвестират в големи експериментални съоръжения и центрове за върхови постижения, фактът, че солидната наука може да се появи от моливи и маскиращи ленти изглежда изненадващ. Въпреки това, три години след като графит 1 е изолиран за първи път чрез механична ексфолиация, няма съмнение, че графенът, един слой въглеродни атоми, плътно натъпкан в бензенова пръстенова структура, е отлично поле за физици на кондензирала материя и учени в областта на материалите. .

Действителните експериментални данни все още са малко, но този материал недвусмислено показва физически свойства на границата между традиционната физика на кондензираната материя и теорията на релативистките електрони във вакуум: квантова електродинамика 2, 3. Интересът към този материал се е увеличил експоненциално и броят на публикациите годишно се е удвоил през 2006 г. до общо почти 350 статии според ISI. Тази година мартската среща на Американското физическо общество включва осем сесии по темата. Nature Materials, в съвместни усилия с други списания на Nature, е посветил уеб-базиран подход към темата, с цел да подчертае последните постижения в областта 4 .

В този брой Андре Гейм и Костя Новоселов описват кратката, но интензивна история на графен 5, след първата им демонстрация на ефекта на електрическото поле 1. Прегледът на авторите варира от препятствия до стабилизиране на строго двуизмерен кристал, до необичайни транспортни свойства, които са наблюдавани досега, до мечти за възможни приложения към електронни устройства. Ярък пример за непрекъснатата поява на необичайни електронни свойства е взаимодействието между електрони и ядра 6, което е поредното потвърждение на аналогията между физиката на графена и квантовата електродинамика 7 .

Въпреки че можем да сме сигурни, че графенът все още има какво да предложи по отношение на фундаменталната физика, ситуацията не е толкова ясна по отношение на приложенията. Със сигурност има аспекти на този материал, които го правят завладяващ за електрониката 5, 8. Като се има предвид високото качество на въглеродната решетка, електроните се движат балистично, тоест без разсейване, за няколкостотин нанометра, дори при стайна температура. Тази характеристика прави графен уникален материал за разработване на високочестотни транзистори до терагерцовия домейн. Като алтернатива, двумерният кристал може да се разглежда като миниатюрна печатна платка, от която може да се получи всеки елемент от наномащабна електронна схема, като единичен електронен транзистор.

Такива устройства обаче все още не са направени. Въпреки че възможността за регулиране на плътността на заряда по принцип би позволила прилагането на стандартна полупроводникова електроника, графенът винаги е метален. Така че, освен ако не е доказан удобен начин да го направим полупроводник, използването му за устройства остава спорно. Друго голямо препятствие е необходимостта от надежден метод за производство на графенови листове в големи количества. Оригиналният метод, базиран на ексфолиране, работи доста добре за фундаментални изследвания, но не е подходящ за широкомащабни приложения. Вече са предложени алтернативни маршрути. Един от тях се основава на топлинната обработка на пластини от силициев карбид, които произвеждат въглеродни филми, един по един слой 9. Също така е показано, че потапянето на графитен оксид във вода води до диспергиране на графенови листове, които след това могат да бъдат стабилизирани от амфифилни полимери и включени в нанокомпозити 10. И двете стратегии са показали обещаващи резултати, но висококачествените кристали досега не са доказани.

Както става ясно от програмата за срещи на APS, работата по графен е фокусирана основно върху фундаментални изследвания. Но интересът нараства и към възможните приложения. В Nature Materials очакваме с нетърпение да проследим научните разработки по двата аспекта на този необичаен и интригуващ материал.