Андрей Константинович Гейм, один из изобретателей технологии получения графена – материала, толщиной всего в один атом углерода – закончил Московский физико-технический институт в 1982 году. До того, как стать известным благодаря графену, он прославился как автор эксперимента с летающей лягушкой. Вместе с другими учеными он подверг ее магнитной левитации, заставив парить в воздухе вопреки гравитации, за что в 2000 году получил Шнобелевскую премию в области физики – награду, которая ежегодно вручается «за достижения, которые заставляют сначала засмеяться, а потом — задуматься». Коллеги убеждали его отказаться от почести, но Гейм все равно принял награду. Он считал эксперименты, подобные летающей лягушке, неотъемлемой частью своего стиля и понимал важность нестандартного мышления, которое может привести к важным открытиям.
Следуя этому убеждению, Гейм, который на тот момент уже работал в Манчестерском университете, начал проводить «пятничные сессии»: встречи, во время которых его студенты могли провести любой эксперимент, иногда в компании небольшого количества пива. По словам физика, пятничные занятия позволяли сделать исследователям то, за что им не платили и что они не должны были делать во время своей повседневной профессиональной жизни. Это были эксперименты, основанные на чистом любопытстве. Что-то случайное, простое, странное – и, может быть, даже смешное. Без этого, считает Гейм, невозможны открытия. И, как ни странно, именно такой подход привел ученого и его коллегу Константина Новоселова к получению уже более серьезной награды, Нобелевской премии по физике.
В один из вечеров осенью 2002 года Гейм размышлял об углероде. Он специализировался на микроскопически тонких материалах, и ему было интересно, как очень тонкие слои углерода могут вести себя в определенных экспериментальных условиях. Наиболее очевидным материалом для работы был графит, который представляет собой своеобразный «сэндвич» из углеродных слоев толщиной в один атом. Однако стандартные методы получения сверхтонких образцов приводили к перегреву, что, в конечном итоге, разрушало материал.
Поэтому Гейм поставил перед одним из своих аспирантов, Да Цзянем, задачу – получить как можно более тонкий образец – возможно, несколько сотен атомных слоев – путем полировки кристалла графита толщиной в один дюйм (это 2,5 сантиметра). Несколько недель спустя Цзян принес в чашке Петри небольшой кусочек углерода. Посмотрев на него под микроскопом, Гейм попросил аспиранта попробовать еще раз, но тот признался, что это все, что осталось от кристалла. Когда физик пошутил над Цзянем («Ты отполировал гору, чтобы получить песчинку?»), один из его коллег обратил внимание на моток использованного скотча, который валялся в корзине для бумаг. Его липкая сторона была покрыта серой, слегка блестящей пленкой, остатком графита.
Проверять адгезивные свойства экспериментальных образцов с помощью скотча – было обычным делом для лабораторий по всему миру. Слои, составляющие графитовый «сэндвич» слабо связаны между собой (поэтому, например, он используется для простых карандашей, поскольку легко оставляет след на бумаге) и лента легко отделяет от него углеродные хлопья. Гейм поместил кусок скотча под микроскоп и обнаружил, что налипшие на него слои графита были толще, чем все, что удавалось получить до сих пор. Сложив ленту пополам снова, он смог отделить еще более тонкие слои и изолировать самый тонкий материал из известных человечеству сегодня – графен.
Слой углерода под атомарным микроскопом выглядел как решетка из шестиугольников, по форме напоминающая соты. Физики-теоретики размышляли о возможности получения такого материала, но предполагали, что изолированный одноатомный слой нельзя выделить при комнатной температуре – согласно их расчетам, он должен был распасться на крошечные шарики. Но вместо этого, как заметил Гейм, графен остался плоским, и по нему проходила своеобразная рябь по мере того, как материал стабилизировался.
Гейм попросил помочь ему своего аспиранта Константина Новоселова, и они начали по четырнадцать часов в день изучать графен. В течение последующих двух лет исследователи провели серию экспериментов, во время которой определили свойства материала. Почти сразу выяснилось, что электроны в графене движутся с необычайно высокой скоростью. Кроме того, он оказался способен переносить в тысячу раз больше электричества, чем медь.
В «момент эврики» ученые продемонстрировали, что графен обладает выраженным эффектом поля – откликом, который некоторые материалы демонстрируют при размещении рядом с электрическим полем, что позволяет ученым контролировать проводимость. Эффект поля – одна из определяющих характеристик кремния, используемого в компьютерных микросхемах, а значит, графен может предположительно послужить ему заменой. Этого производители компьютеров ждали многие годы.
Вдобавок графен отличается большой прочностью. Гипотетический гамак из графена площадью квадратный метр спокойно выдержит взрослого кота весом до четырех килограммов. Для стального гамака такой же толщины «критическая» масса, приводящая к разрыву, была бы в 100 раз меньше. И что более интересно, графен практически бесцветен, поэтому стороннему наблюдателю будет казаться, что кот вообще просто парит в воздухе.
По результатам работы Гейм и Новоселов написали трехстраничную статью с описанием своих открытий. Она была дважды отвергнута Nature, где один из рецензентов заявил, что выделение стабильного двухмерного материала «невозможно», а другой сказал, что это не «достаточный научный прогресс». Однако в октябре 2004 года в журнале Science была опубликована статья «Эффект электрического поля в атомно тонких углеродных пленках», которая стала настоящей сенсацией. И спустя шесть лет Гейм и Новоселов за свое открытие получат Нобелевкую премию по физике.
