Графен гэдэг материал сүүлийн зургаан жилийн дотор дэлхийн физикчдийн анхаарлыг ихээхэн татаж байна. Үүнээс өмнөх 40 жилд квантын механизмд заримдаа нүсэр тооцоо хийхэд ашиглагдаж байсан хоёр хэмжигдэхүүнт нүүрс хүчлийн хавтанг  хийсвэр загварт хэрэгтэй гэж үздэг байв. Одоо Манчестерын их сургуульд ажиллаж байгаа Константин Новоселов, Андрей Гейм хоёр графеныг онолын хавтгайгаас практикт оруулж өгснийхөө төлөө Нобелийн шагнал авлаа.

Графен хүрэх урт зам

Константин Новоселов (зүүнээс) ба Андрей Гейм

Ямар нэгэн бодисын шинж нь түүнийг бүтээсэн атомаас гадна тэдний байрлалаас ихээхэн хамааралтайг бидэнд сургуулийн хими мэдүүлж өгсөн билээ. Жишээ болгон нүүрс төрөгчийг гол төлөв авч үздэг. Атомын нэг байрлал нь эмзэгхэн бохир графитийг, нөгөө өөр байрлал нь хатуу гялалзсан алмаз өгдөг гэж ярьдаг. Нэгэн бүтцэд янз бүрийн шинжтэй тийм энгийн зүйлийг аллотропын өөрчлөлт гэж нэрлэдэг. Энэ утгаар графит ба алмаз нь нүүрс хүчлийн аллотропын өөрчлөлт юм.

Өнгөрсөн зууны жараад оноос физикчид зөвхөн хоёр хэмжигдэхүүнт гадна гурван хэмжигдэхүүнт аллотропын өөрчлөлтийг эрчимтэй судлах болов. Тухайлбал, нүүрс төрөгчийн атомууд нэгэн хавтгайд энгийн ердийн байдал болох гексоганалын сараалж (сараалжийн үүр бүр нь зургаан өнцөгтүүд) хэлбэрээр байрлаж болно. Харин тэр үед энэ санаа шинэ биш байв. Жишээлбэл, Оскар Клейн тийм материалын ер бусын квантын чанарыг 1929 онд тооцоолон хэлсэн байв. Үүний зэрэгцээ хавтгай нүүрс төрөгчийн “хэсгийг” гаргаж авах оролдлого  бүтэлгүйтсэн байв. Ингээд эрдэмтэд тогтворгүй байдлаас нь үүдэн тийм материал гаргаж авах боломжгүй гэсэн дүгнэлтэд хүрчээ.

Графены бүтэц. Атомуудын хоорондын зай 0,142 нанометр. Графен түүгээр дамжих гэрлийн 2,3 хувийг шингээдэг

Үр дүнд нь графен хийсвэр ойлголт болоод тооцоо хийхэд тохиромжтой гэж тооцогдож байв. Хоёр хэмжигдэхүүнт тохиолдолд квантын механиктай холбоотой тооцоо мэдэгдхүйц товчлогдон амархан болдог.
Андрей Гейм ба Константин Новоселовын хувьсгалт нээлтийн урьдатгал нь 1980-аад оны дундуур фуллерен нээгдсэн явдал болов. Фуллерен гэдэг нь товгор олон өнцөгтүүд ба оройд нь нүүрс төрөгчийн атом байрладаг. Хамгийн нэртэй материал нь C60 гэж нэрлэгддэг ба атомын өөрчлөлтүүд нь хөлбөмбөгийг санагдуулахаар олон өнцөгтийн оргилуудад (математикт тийм олон өнцөгтийг икосаэдром гэдэг) байрлаж байна. Энэ нээлтийн төлөө америкчууд Роберт Керл, Ричард Смелли  нар Британийн Харолд Кротогийн хамт 1996 оны Нобелийн шагналыг авсан байв.
Дараа нь 90-ээд онуудад техникийн хөгжил нүүрс төрөгчийн нано гуурс гэгчийг судлах боломжтой болгов. Тэр гуурсаас гафен хүртэл гар сунгахын төдий зайтай мэт санагдаж байв. Гуурсийг зүсэж тэнийлгээд хоёр хэмжигдэхүүнт хавтанг гаргалаа гэж болохоор. Үнэндээ тэр нь боломжийн гэдгийг Стэнфордын ба Райсийн их сургуулиудын эрдэмтэд 2009 онд тогтоож өгөв. Гэхдээ “боломжгүй” гэх материалыг оросууд огт өөр замаар гарган авчээ.

Анхдагчийн төлөөх тулаан

Андрей Константинович Гейм  1958 онд Сочид төржээ. Москвагийн физик, технологийн их сургуулийн Нийтлэг ба туслах физикийн факультетыг 1982 төгсгөж, 1987 онд Зөвлөлтийн Шинжлэх ухааны академийн Хатуу биетийн институтад дэд докторын зэрэг хамгаалжээ. 1990 он хүртэл Микро электроникийн болон онцгой цэвэр материалын асуудлын институтад ажиллаж байгаад гадаадад гарчээ. 2004 онд нээлтээ хийх үедээ Манчестерын их сургуульд Константин Новоселовтай хамт ажиллаж байлаа. Одоо ч тэнд ажиллан албан ёсоор Голландын иргэн гэгдэж байна. Сонирхолтой нь тэр шоглоомын эсрэг Нобелийн шагналыг 2000 онд мэлхийний зүүнчлэлийг судалсан гэж авч байв.

Гейм ба Новоселов практик дээр тогтворгүй гэж байсан материалыг гарган авснаар араас нь шил дараалан явж байсан эрдэмтдээс түрүүлж чадсан нь физикчидээс гадна олны гайхлыг төрүүлэв.

Жишээлбэл тэдний нээлтдээ хэрэглэсэн пилинг гэх аргыг Техасын их сургуулийн Родни Руофф тэргүүтэй эрдэмтэд 1999 онд хэрэглэхээр оролдсон нь бүтэлгүйтсэн юм. Оросын хоёрын өгүүлэл нийтлэгдсэнээс хоёр сарын дараа карбидын цахиурыг Цельсийн 1300 градусаар шатаан нүүрс төрөгчийн нимгэн хавтан гаргаж авна гэсэн санаагаа Жоржийн технологийн их сургуулийн эрдэмтэд нийтлүүлсэн байв. Үүний хажуугаар Колумбийн их сургуулийн физикчид нүүрс төрөгчийн талстыг хүчний микроскопын зүүнд бэхлэн  тийм хальс  дээр “зураглал” хийхээр оролдсон байлаа. Тэд 10 нүүрс төрөгчийн давхаргатай хальсыг гарган авч чадсан байв.

Константин Сергеевич Новоселов 1974 онд Нижный Тагилд төржээ. Москвагийн физик, технологийн их сургуулийг 1997 онд төгсгөөд 1999 он хүртэл Микро электроникийн болон онцгой цэвэр материалын асуудлын институтад ажиллаж байгаад гадаадад гарчээ. Одоо Манчестерын их сургуульд ажилладаг бөгөөд Орос, Их Британийн давхар харьяалалтай.

Гейм, Новоселов хоёр бусдыг хэрхэн ардаа орхиж чадав? Харандаагаар бичдэг ямар ч хүн өөрөөс нь үл хамааран графен хуудсыг бүтээдэг байна. Бичиж байхад графитын үзүүр нь хавтгай ширхгээр давхарлагдах бөгөөд тэдний зарим нь нэг атомын зузаантай байж болдог гэнэ. Яг энэ санааг л тэд ашигласан байна. Тэд ширхгийг скотчийн тусламжтайгаар хуулж аваад тусгай суурин дээр шилжүүлэн буулгажээ.  Science сэтгүүлийн 2004 оны дугаарт тэд графен гаргах технологиос гадна тэдний зарим шинжийг тодорхойлсон өгүүллээ нийтлүүлжээ.

Ирээдүй

Цааш нь графеныг судлах шинжлэх ухаанд дуртай хүн бүрт харагдах их хөөрөл эхлэв. Физикчид нано электроникт хэрэг болох графены туузыг бүтээдэг болов. Эрдэмтэд амжилт олоогүй шалтгаанаа өндөр температурын хэт дамжуулалтын чадвараар тайлбарлаж байлаа. Физикчид графены чөлөөтэй зайг электроноор дүүргэж чадлаа. Химичид графены хуудсыг хэдэн арав дахин томруулж чадав. Графены тасалдлын механизмыг физикчид нээлээ.

Гейма ба Новоселовын нээлтээс хойших зургаан жилийн дотор эрдэмтэд графены том хэсгийг гарган авснаас гадна энэ материалын ер бусын чанарын үзүүлэлтийг хийжээ. Жишээлбэл, графен маш бэх бат  (өөртэй нь ижил хэмжээтэй төмөр хуудаснаас тэр 100 дахин бат бэх) , дулаан дамжуулах (графен нь зэсээс дулаан дамжуулалтаар 10 дахин их), мөн мэдэгдэж байгаа материалуудаас электроны хөдөлгөөнөөр дээд зэрэгтэй гэх мэтийн чанаруудыг нь эрдэмтэд тодорхойлж чаджээ.

Графены бүх боломж практикт бүрэн гарч амжаагүйг Нобелийн хороо сайн ойлгож байна. Тэдэнд шагнал өгөх болсноо “хоёр хэмжигдэхүүнт графенд хамаатай анхдагч туршилтын төлөө” гэж тодорхойлсон байв. Графен ирээдүйтэй. Тэр ирээдүй нь бодит болон хэрэгжих алхмын эхлэлийг Андрей Гейм ба Константин Новоселов хоёр тавьж өглөө.