Владимирский графен: от Нобелевской теории к российской практике

В этом году исполняется 15 лет, как ученые русского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике за «за новаторские эксперименты с двумерным графеном». Владимирский государственный университет внес значимый вклад в развитие технологий, связанных с этим перспективным материалом. Вклад вуза включает как разработку уникального способа производства графена, так и проведение передовых исследований по управлению светом с его помощью.

Графен - это слой углерода толщиной всего в один атом. Он невероятно прочный, гибкий и прекрасно проводит электричество, что делает его перспективным для электроники будущего.

Гейм и Новоселов впервые получили графен в 2004 году, используя простой скотч для отслаивания слоев графита. Ученые Владимирского государственного университета под руководством профессора Валерия Прокошева разработали иной, более производительный метод. Графен получали путем расслоения графита в жидком азоте с последующей обработкой импульсным лазером. Этот способ вошел в список «100 лучших изобретений России» 2016 года.

Изобретение может использоваться для создания элементов наноэлектроники, газовых сенсоров и лазерных систем. Профессор Валерий Григорьевич Прокошев был автором более 500 научных работ и щедро делился опытом с молодыми учеными.

В сотрудничестве с МФТИ физики Владимирского государственного университета используя графен добились значительного прорыва в области нанофотоники - им удалось повысить эффективность преобразования световой энергии в особые волны на поверхности графена до 90%. Для сравнения, ранее существовавшие схемы показывали эффективность не более 10%.

Чтоб создать сверхкомпактные устройства, которые могли бы с высокой эффективностью преобразовывать и хранить световую энергию на наноуровне, ученые использовали квантовые точки (крошечные частицы полупроводника) в качестве посредников между светом и графеном. Эти точки были расположены над поверхностью графена в строго определенном порядке. В ходе работы ученые подобрали такую геометрию, в результате которой сигнал, формируемый в графене, становился на порядки мощнее того, что имел место при случайном расположении квантовых точек. Для последующих численных расчетов авторы использовали программные модули собственной разработки.

Эта работа открыла путь к созданию сверхтонких аккумуляторов, высокоэффективных солнечных батарей и сверхчувствительных датчиков для медицины.

Если в 2010 году говорилось, что большинство возможных практических применений графена существуют только в фантазиях, то в наши дни «материал будущего» буквально захватывает повседневность. Из разряда научных открытий он успешно превращается в технологический тренд. Добавление графена повышает эффективность и снижает стоимость множества приборов. Поистине революционные возможности двумерный материал открывает в самых разных сферах. Обычные материалы он делает прочнее, легче и долговечнее. Добавление графена в пластик, металл или бетон создаёт сверхлёгкие и сверхпрочные композиты, что способно перевернуть многие прикладные сферы жизни.

Проект «Нобелевские лауреаты» выполняется при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Десятилетия науки и технологий, объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.