Materiał, który nie miał prawa istnieć: Nobel 2010

Tekst: prof. dr hab. Helena Dodziuk

Rzadko nagroda Nobla z fizyki wzbudziła tak żywe zainteresowanie chemików jak w przypadku uhonorowania grafenu (1).

Ponad 70 lat temu Landau i Peierls stwierdzili, że ściśle dwuwymiarowy kryształ jest termodynamicznie niestabilny i nie może istnieć, a zbadane później doświadczalnie właściwości cienkich warstw wydawały się to potwierdzać. Otrzymanie grafenu przez Geima, Novoselova i współpracowników (2) oraz innych izolowanych wysokiej jakości kryształów 2D w 2004 roku było możliwe, ponieważ uzyskuje się je z kryształu trójwymiarowego lub wytwarza na podłożu. Na ogół mamy wtedy do czynienia nie z jedną, ale z większą ilością warstw. Uważa się, że już 10 warstw grafenowych tworzy strukturę kryształu trójwymiarowego. Historia odkrycia jest ciekawie opisana w wywiadzie (https://sciencewatch.com./inter/aut/2008/08-aug/08augSWGeim/). Do otrzymania płatków grafenu oryginalnie użyto taśmy Scotch (niewątpliwie nie jest to metoda high-tech), a obecnie można uzyskać monowarstwy o powierzchni do ok. 200 cm² (3) metodą CVD (Chemical Vapour Deposition). Nagrodę Nobla przyznano za „przełomowe doświadczenia z dwuwymiarowym materiałem grafenem”, który wykazuje zadziwiające właściwości. Jest to pierwszy, rzeczywiście dwu-, a nie trójwymiarowy materiał, mający największy stosunek powierzchni do wagi, największą sztywność i dużo większą niż stal odporność na zerwanie. Jednocześnie jest on przezroczysty w szerokim zakresie fal i wykazuje wysokie przewodnictwo elektryczne (jego opór to 31 Ωm^-2) oraz kwantowy effekt Halla (4,5). Elektrony w grafenie zachowują się w nietypowy sposób: w konwencjonalnej fizyce ciała stałego opisane są one równaniem Schrödingera, natomiast w grafenie naśladują cząstki relatywistyczne opisywane równaniem Diraca, ponieważ oddziałują z periodyczną siecią plastra miodu grafenu.

 

 

Kilka słów o laureatach. Dużo więcej wiadomo na temat Geima. Jest rosyjskim Niemcem, jego przodkowie siedzieli w obozach, on cierpiał z powodu antysemityzmu (jak twierdzi, raczej z powodu nazwiska, ale miał też prababcię Żydówkę).  Jego rodzice i brat z rodziną wyemigrowali do Niemiec, gdzie wrócili do niemieckiej wersji swojego nazwiska Heim. Dwujęzyczny Geim po szkole średniej z rozszerzonym angielskim, pasjonował się naukami ścisłymi. Geim dwukrotnie zdawał i nie dostał się do elitarnego Uniwersytetu MIFI, udało mu się dopiero, gdy następnie zdawał do również elitarnego Moskiewskiego Fizyko-Technicznego Instytutu, który nazywany jest „rosyjskim MIT”. (O systemie nauczania w tym instytucie, w którym wykładało i z którego wyszło kilku noblistów, warto byłoby kiedyś oddzielnie napisać.) Doktorat zdobył Geim w Moskwie, ale po trzech stażach podoktorskich w Europie Zachodniej (jest obywatelem Holandii) osiadł w Wielkiej Brytanii, dokąd ściągnął swojego wcześniejszego nieformalnego doktoranta Novosolova jeszcze przed obronieniem pracy. Z ponad 150 prac Geima – 14 było opublikowane w Nature i Science, jego trzy prace były cytowane ponad 1000 razy, a 25 – ponad 100 razy. Jak ocenił ScienceWatch, Geim zainicjował dwie nowe dziedziny badań: grafen i taśmę gekona. Ta ostatnia, to taśma klejąca opracowana w oparciu biomimetykę, wykorzystuje metodę dzieki której jaszczurka gekon może wędrować po suficie. Innym osiągnięciem Geima jest zdobycie wraz z M. Berrym w 2001 roku nagrody Ig Nobel za badania na lewitacją żaby jako ciała diamagnetycznego w polu magnetycznym (6). Warto podkreślić, że Geim jest jedynym naukowcem, który zdobył oba wyróżnienia.  
Żona Geima, Irina Grigor’eva, jest naukowcem i jego współpracownikiem. Geimowi nie brakuje fantazji. W 2001 roku uczynił współautorem publikacji swojego chomika (7). W historii rodziny Geima jest również polski i aktualny ze względu na rocznicę akcent: jeden z jego prapradziadków, niemiecki szlachcic Karl Ziegler brał po naszej stronie udział w powstaniu styczniowym, za udział w którym został zesłany na Syberię.

Warto dodać, że w Instytucie Chemii Fizycznej PAN opracowano ostatnio prostą i tanią metodę otrzymywania grafenu (https://www.ichf.edu.pl/press/2012/06/IChF120620_PL.pdf).

Literatura
    (1)    Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Nature Mat. 2007, 6, 183-191.
    (2)    Geim, A. K.; Novoselov, K. S.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306 no. 5696, 666-669.
    (3)    Editorial Nature Photonics. 2010, 4, 731.
    (4)    Geim, A. K.; Novoselov, K. S.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Katsnelson, M. I.; Grigorieva, I. V.; Dubonos, S. V.; Firsov, A. A. Nature 2005, 438, 197-200.
    (5)    Zhang, Y.; Tan, Y.-W.; Stormer, H. L.; Kim, P. Nature 2005, 438, 201-204.
    (6)    Geim, A. K.; Berry, M. V. Eur. J. Phys. 2000, 18, 307-313.
    (7)    Geim, A. K.; Tisha, H. A. M. S. t. Physica B: Condensed Matter 2001, 294-295, 736–739.

Zobacz też nasz wcześniejszy artykuł "Grafen - materiał (prawie) doskonały"

Układ html: K. Rochowicz