За последние двадцать лет в российской науке случились открытия, которые изменили представление мирового сообщества о границах возможного в физике, химии и медицине.
Одно из них выглядит как шутка.
2004 год. Манчестерский университет. Два физика российского происхождения — Андрей Гейм и Константин Новосёлов — отрывают скотчем слои графита от обычного карандашного грифеля.
Приклеивают. Отрывают снова. Повторяют десятки раз.
Получают слой углерода толщиной в один атом.
Называют его графен.
За этот эксперимент в 2010 году им дают Нобелевскую премию по физике.
Почему углерод толщиной в атом изменил физику
Графен — это лист углерода, где атомы выстроены в идеальную шестиугольную решётку, как пчелиные соты.
Толщина — один атом. Это в 100 000 раз тоньше человеческого волоса.
Если свернуть лист графена площадью один квадратный метр, он поместится на кончике иглы.
При этом он прочнее стали в 200 раз.
Гибкий, как резина. Прозрачный на 97%. Проводит электричество лучше меди.
До 2004 года считалось, что такие двумерные материалы не могут существовать в свободном состоянии.
Теория говорила: одноатомный слой при комнатной температуре мгновенно разрушится из-за тепловых колебаний.
Новосёлов и Гейм доказали обратное, отклеивая слои скотчем на кухонном столе.
Весь эксперимент обошёлся дешевле похода в кафе.
Пятничные эксперименты и случайные открытия
В лаборатории Гейма была традиция: каждую пятницу делать эксперименты ради любопытства, без цели получить публикацию или грант.
Называли это "Friday Night Experiments".
Однажды они заставили живую лягушку левитировать в магнитном поле. Просто чтобы посмотреть, что будет.
За это Гейм в 2000 году получил Шнобелевскую премию — пародию на Нобелевскую, которую дают за самые странные исследования.
Графен тоже начинался как пятничный эксперимент.
Коллега показал Новосёлову, как в их лаборатории очищают поверхность графита для исследований: наклеивают скотч и отрывают вместе с верхними слоями.
Использованный скотч выбрасывали.
Новосёлов посмотрел на него под микроскопом.
И увидел тончайшие прозрачные чешуйки графита.
Подумал: а можно ли сделать их ещё тоньше?
Стал отклеивать слои много раз. Пока не получил слой в один атом.
Весь мир искал способ создать двумерные материалы сложными методами — вакуумное напыление, химическое осаждение, молекулярная инженерия.
А оказалось, достаточно карандаша и скотча.
Поворот: материал, который не должен существовать
В 1930-х годах физик Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали теоретически: двумерные кристаллы термодинамически нестабильны.
При любой температуре выше абсолютного нуля атомы колеблются. В двумерной структуре эти колебания должны разрушать решётку.
Вывод был однозначен: одноатомные слои не могут существовать как отдельный материал.
70 лет этот вывод считался непреложным.
Новосёлов и Гейм получили материал, который по теории не мог быть стабильным.
Но он был стабилен. Лежал на столе при комнатной температуре. Не разрушался.
Почему?
Оказалось, теория Ландау верна для идеально плоского листа.
Но графен не идеально плоский. Он слегка изгибается, образуя микроскопические волны — как рябь на воде.
Эти изгибы компенсируют тепловые колебания. Структура остаётся стабильной.
Природа нашла лазейку в запрете, который казался абсолютным.
От скотча до Нобелевской премии за шесть лет
2004 год — первая публикация о графене в журнале Science.
Научное сообщество отреагировало сдержанно. Многие не поверили, что метод со скотчем работает.
Через год появились первые подтверждения от других лабораторий.
В 2006-м начался бум: каждый месяц выходили десятки статей о новых свойствах графена.
К 2010 году по теме опубликовали больше 10 000 научных работ.
В октябре 2010-го Гейм и Новосёлов получили Нобелевскую премию.
Шесть лет от эксперимента до высшей научной награды — рекорд для физики. Обычно проходит 20-30 лет.
Нобелевский комитет в формулировке премии написал: "За новаторские эксперименты с двумерным материалом графеном".
Один из журналистов на пресс-конференции спросил Гейма: "Вы использовали скотч?"
Гейм ответил: "Да. Самый обычный канцелярский. Из хозяйственного магазина".
Что можно сделать из одноатомного листа
Графен проводит электричество в сто раз быстрее кремния.
Это значит — процессоры на его основе работали бы в сотни раз быстрее современных.
Он прозрачен и гибок.
Можно делать гибкие экраны, которые сворачиваются в трубочку. Солнечные панели, встроенные в окна. Одежду с встроенной электроникой.
Графен задерживает любые молекулы, кроме воды.
Фильтры из него очищают воду от солей, бактерий, вирусов. Опресняют морскую воду дешевле существующих методов.
Он в 200 раз прочнее стали при толщине в атом.
Композитные материалы с добавлением графена легче и прочнее титана. Идеальны для самолётов, автомобилей, космических аппаратов.
Батареи на основе графена заряжаются за секунды и служат в десять раз дольше литиевых.
Потенциал огромен. Но есть проблема.
Почему через 20 лет графен всё ещё не изменил мир
Получить графен скотчем просто.
Но так можно сделать только микроскопические чешуйки. Для лабораторных экспериментов хватает.
Для промышленности нужны листы площадью в квадратные метры. Без дефектов. Миллионами штук.
Метод со скотчем не масштабируется.
Научились выращивать графен на медных подложках при высокой температуре. Качество хорошее, но процесс дорогой и медленный.
Научились получать его химически из оксида графита. Быстро и дешево, но качество низкое — много дефектов, хуже проводит ток.
Прошло 20 лет, а массового производства идеального графена нет.
Все обещанные революции — сверхбыстрые процессоры, гибкие экраны, вечные батареи — остаются обещаниями.
Графен застрял между лабораторией и заводом.
Неожиданное применение: не там, где ждали
Пока инженеры бьются над массовым производством чистого графена, он уже проник в продукты.
Только не в те, что обещали футурологи.
Теннисные ракетки с добавлением графена — прочнее и легче. Выпускает компания Head с 2013 года.
Велосипедные рамы — жёстче при том же весе. Используют несколько производителей.
Автомобильные шины с графеном — прочнее, меньше нагреваются. В продаже с 2018 года.
Краски с графеном — защищают металл от коррозии лучше обычных. Применяют на кораблях и нефтяных платформах.
Графен в этих применениях не чистый. Смесь чешуек разного размера с дефектами. Но даже такой даёт улучшения.
Революция случилась. Просто не та, что ожидали.
Не сверхкомпьютеры и космические корабли. А теннисные ракетки и автошины.
Почему Нобелевскую премию дали так быстро
Обычно Нобелевский комитет ждёт десятилетия, чтобы убедиться: открытие действительно важно, выдержало проверку временем.
Эйнштейн получил премию через 16 лет после создания теории относительности.
Открытие реликтового излучения — прямого доказательства Большого взрыва — наградили через 13 лет.
Графен — через 6.
Почему такая спешка?
Потому что открытие Новосёлова и Гейма сделало две вещи одновременно.
Первое: дало новый материал с уникальными свойствами.
Второе: опровергло фундаментальный запрет, который считался абсолютным.
Если двумерный графен стабилен, значит, могут быть стабильны и другие двумерные материалы.
И они появились.
Однослойный нитрид бора — двумерный изолятор.
Дисульфид молибдена — двумерный полупроводник.
Фосфорен, силицен, германен — целое семейство двумерных материалов.
Их начали получать, складывать слоями, как конструктор. Создавать структуры с заданными свойствами.
Графен открыл не один материал, а целый класс материалов. Новую физику. Новую область технологий.
За это дали Нобелевскую премию, не дожидаясь массового внедрения.
Российский след в британском открытии
Новосёлов родился в Нижнем Тагиле, учился в Москве в Физтехе.
Гейм родился в Сочи, учился там же.
В 1990 году Гейм уехал в Европу — в России наука переживала кризис после распада СССР.
В 1999 году позвал к себе в Манчестер Новосёлова, своего бывшего студента.
Вместе сделали открытие, которое принесло Нобелевскую премию Великобритании.
Российская пресса называла их "потерянными талантами".
Сами Гейм и Новосёлов говорили, что не жалеют.
"В России нас научили думать. В Европе дали возможность делать", — сказал Гейм в одном интервью.
После премии Новосёлов получил предложения вернуться в Россию. Несколько университетов обещали лаборатории, финансирование, любые условия.
Он отказался. Остался в Манчестере.
В 2013 году президент России подписал указ о возвращении лучших учёных. Новосёлов был в списке приоритетных.
Не вернулся.
В 2022 году, после начала военных действий на Украине, Новосёлов публично осудил действия российского руководства.
Его исключили из списка почётных членов нескольких российских научных организаций.
Открытие осталось. Политика изменилась.
Чему учит история с графеном
Самое сложное оборудование не гарантирует открытий.
Новосёлов и Гейм обошли десятки лабораторий с миллионными бюджетами, используя скотч и карандаш.
Важнее было не оборудование. Важнее было разрешение экспериментировать ради любопытства, без обязательного результата.
Пятничные эксперименты, которые не требуют отчётов и публикаций.
Свобода ошибаться, пробовать странные идеи, смотреть туда, куда другие не смотрят.
В современной науке такая свобода редкость.
Гранты выделяют под конкретные цели с измеримым результатом. Публикации нужны регулярные, с высоким импакт-фактором. Время учёного расписано на годы вперёд.
Новосёлов и Гейм сделали открытие, потому что у них был один вечер в неделю на бессмысленные, с точки зрения отчётности, занятия.
Возможно, следующий прорыв сидит не в суперлаборатории за миллиард долларов.
А в пятничном эксперименте, который кто-то делает из любопытства, без гарантий и планов.
Графен доказал: иногда величайшие открытия стоят три рубля и делаются на кухонном столе.
А вы смогли бы поверить, что материал будущего можно получить канцелярским скотчем, если бы не знали эту историю?
Нобелевский комитет принял решение о премии единогласно и без долгих обсуждений — редкость для физики. Но часть научного сообщества критиковала спешку: мол, надо было дождаться реальных технологических применений, а не награждать за потенциал. Спустя 14 лет после премии споры не утихли — одни говорят, что графен оправдал ожидания, другие называют его "материалом вечного будущего", который никогда не станет настоящим.