Проект Сиб.фм «Будущее российской науки» продолжает знакомить с самыми любопытными исследованиями молодых новосибирских ученых. Наш следующий сюжет – о том, для чего еще, кроме рисования, может пригодиться графитовый карандашный стержень, какой материал из графита догадались сделать ученые, и как с помощью этого материала создадут электронику будущего.

Современные электронные устройства стремятся к уменьшению размеров активных элементов. Это связано не только с желанием сделать максимально компактные и надежные приборы, но и чтобы эти приборы были более скоростными и тратили меньше энергии. Поэтому нанотехнологии – когда речь идет о масштабах, равных миллионной части миллиметра — развиваются все активнее. А для этого нужны материалы, которые могли бы «работать» в таких масштабах. Те, которые используются в электронике сегодня, уже не подходят.

Сейчас ученые изучают материал, в свойствах которого долгое время сомневались. Но в 2010 году двоим исследователям удалось убедить научный мир в возможности использования этого материала, за что они даже получили Нобелевскую премию. С тех пор интерес к этому материалу постоянно растет, ученые по всему миру ищут ему применение. Речь идет о графене. Изучают его возможности и в новосибирском Академгородке.

«Графен сам по себе – это достаточно тонкий слой атомов толщиной 0,35 нанометра. Если перевести на знакомые величины, то можно сказать так: человеческий волос укладывается в один метр примерно столько же раз, сколько раз нанометр в толщину волоса. Это примерные масштабы. И получается, что нам нужно работать с очень тонкими пленками», — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур Института физики полупроводников СО РАН кандидат физико-математических наук Надежда Небогатикова.

По ее словам, графен — вполне природный материал. Когда мы пишем обычным простым карандашом, след, который остается от графита – это отщепившиеся слои графена, которых в стержне очень много. Но они слишком толстые, там десятки, сотни микрон, поэтому они не обладают такими свойствами, как тончайший, состоящий всего из одного слоя атомов графен, который изучают ученые.

Почему графен привлек внимание исследователей? Потому что он обладает хорошей электропроводностью, у него высокая подвижность носителей заряда, он тонкий, гибкий и достаточно стабильный в определенном диапазоне температур. И это важно, потому что при создании новых, совсем миниатюрных устройств, прежние материалы могут не работать из-за существенного различия свойств у пленок толщиной в несколько нанометров и несколько десятков нанометров. А графен – это тот материал, который сразу на наномасштабах работает хорошо.

Однако долгое время не могли поверить, что такая тонкая пленка, которую представляет собой графен, пригодна для работы. Считалось, что она очень нестабильная, при работе с ней она свернется в комочек, сгорит в атмосфере, испортится и так далее. Но теперь, когда доказано, что ничего такого не произойдет, ученые разрабатывают способы ее использовать.

«Фокус в том, — объясняет Надежда Александровна, — что если мы хотим на гибких проводящих пленках делать какую-то электронику, нам нужно научиться их изолировать. Например, мы включаем провода в розетку, берясь за непроводящий ток участок. С наноэлектроникой примерно так же. И у нас был интерес научиться локально модифицировать проводящие области и непроводящие, чтобы создавать новые структуры и управлять их характеристиками».

Надежда изучает фторированный графен. Эта тема, говорит она, к моменту ее прихода в лабораторию только раскрывалась: «С одной стороны, было не понятно, получится или нет, и поэтому было интересно. А, с другой стороны, это сразу был какой-то вызов, потому что в мире, когда пытались получать фторграфен, его получали другими методами — более дорогими, более агрессивными. А мы пытались найти что-нибудь более безопасное и технологически простое».

Сначала ученые научились фторировать слои графена, а со временем перешли и к графеновым суспензиям.

«Всегда интересно попробовать перенести то, что ты уже обнаружил, на более крупные объемы. Фторируя слои, я могу модифицировать только то, что у меня поместится в раствор — это площадь примерно 2 кв. см. Если же фторировать не слои, а «кирпичики», из которых создаются такие слои, то последние можно наносить на площадь практически любого размера.

Чтобы этого добиться, нам нужно было подобрать условия для фторирования графеновой суспензии (порошка графеновых наночастиц в воде). А затем суспензию можно наносить на поверхность, площадью в десятки квадратных сантиметров и более», — говорит Надежда Небогатикова.

Она ищет способы создания новых материалов на основе графена с характеристиками, которыми можно было бы управлять и изменять их.

Эти материалы, по словам ученого, могли бы использоваться для улучшения памяти различных устройств, а также для создания сенсеров. «Коллеги осваивают печать графеновыми чернилами и показывают, что можно наносить эти чернила на гибкие подложки, носить на себе и пытаться использовать как какие-то тестеры», — продолжает исследователь.

Она надеется, что ее исследования позволят создать и наноперфорированные слои графена, то есть, слои графена с дырочками, которые можно будет использовать как наносито, например, с его помощью химики или биологи смогут фильтровать различные жидкости или газы в наномасштабах.

«Мы облучаем наши пленки графена ионами высоких энергий – как будто локально касаемся нанопаяльником нашей нанопленки, и там формируются маленькие наноразмерные отверстия, — описывает процесс Надежда Небогатикова. — Такой материал с отверстиями может быть интересен и для оптических приложений, потому что теперь получается, что у нас есть какие-то области, в которых носители заряда не существуют, но есть разделенные области, где они могут существовать. И вот если у нас графен получит какую-то энергию, носители заряда могут переходить между этими состояниями».

При работе с нанопаяльником, по словам ученого, открылось еще одно любопытное свойство: «Мы можем, управлять температурой паяльника. Можем либо выжигать насквозь отверстия, либо локально просто прогревать структуру, и она как-то перестраивается. И оказалось, что при определенных условиях в графене образуются наноалмазы».

Надежда считает, что, благодаря ее исследованиям, уже через 10 – 15 лет можно будет создавать еще более миниатюрные детали для компьютеров или каких-то других гаджетов: «Потому что процессы миниатюризации очень важны — это энергосбережение, повышение скорости их работы и обеспечение их надежности».

Сегодня молодой ученый уже не видит для себя другого пути, кроме науки. И с улыбкой вспоминает, что когда-то ее увлечение математикой не совсем вписывалось в династические традиции семьи. Ведь и ее родители, и брат были военными. Предполагалось, что и Надежда выберет эту профессию.

«Я родилась и выросла в республике Бурятия в городе Кяхта, это город на самой границе с Монголией, — рассказывает молодой ученый. – А в Новосибирск попала, потому что в 10 классе поехала на республиканскую олимпиаду по математике. Там меня пригласили в Летнюю школу при НГУ, я поступила, прошла ее, и потом решила остаться и пойти в 11 класс уже здесь, в физико-математической школе. Закончила ее, поступила в НГУ на физический факультет, а потом в аспирантуру и в итоге пришла работать в эту лабораторию».

Мама несколько раз пыталась предложить будущему ученому подумать над карьерой в армии. «Но я выросла в военной семье, поэтому понимала, что после университета мне будет очень тяжело кому-то подчиняться и беспрекословно выполнять приказы, поэтому армейская служба меня не привлекала. Но у нас с мамой была договоренность, что, если у меня что-то в науке не складывается, то я иду в армию. Так что, это очень мотивировало не сдаваться никогда», — смеется молодая женщина.

Поделилась Надежда и еще одним любопытным фактом из детства. По ее словам, когда-то на вопрос, кем она хочет стать, она иногда отшучивалась: хочу быть философом, лежать весь день на диване и рассуждать о смысле жизни и строении вселенной. «Сейчас с диваном на работе тяжело, — улыбается Надежда, — а вот со строением материи и устройством всего я почти воплотила детские слова в своей жизни».

Да уж, разлеживаться на диване нашей героине действительно некогда. Просто удивительно, но ей удается совмещать научную работу с хобби, которое, по сути, стало второй профессией: по вечерам Надежда работает тренером по танцам.

Она признается, что ей хотелось бы выучить какие-нибудь иностранные языки, кроме английского, который требуется по работе. «А еще, — говорит Надежда, — я почему-то очень хочу научиться водить трактор, микроавтобус. Хочу с мужем кататься куда-нибудь в автопутешествия».

Кстати, супруг Надежды – тоже ученый, химик. «Он работает в соседнем институте. И когда у меня сложности по работе, я могу с ним посоветоваться. Может быть, он не все понимает, но старается поддерживать. Он сам сейчас дописывает кандидатскую диссертацию, так что, по вечерам мы еще с ним переформулируем некоторые выводы к его работе. В общем, поддерживаем друг друга, когда это получается», — говорит Надежда Небогатикова.

Она считает, что для успеха в науке очень важна команда, в которую ты приходишь. А еще – настойчивость и постоянное желание двигаться дальше.

Ну, а нам пора двигаться к новым открытиям.