Все дело в графеновых пузырьках

— Екатерина, спасибо, что согласились на интервью. У коллег Андрея Гейма вышла вторая за три недели статья о новых свойствах графена. Мой первый вопрос: можете рассказать простыми словами для неспециалиста о результатах работы, опубликованной в Nature Communications, и о ходе эксперимента?

— Здравствуйте, спасибо, что проявили интерес к нашей работе. Графен — это очень тонкая мембрана, всего в один атом толщиной, но при этом чрезвычайно прочная. Настолько прочная, что ее можно подвесить над отверстием в подложке, при этом получится такой «барабан». Далее на этот барабан можно давить с помощью иглы специального прибора — атомно-силового микроскопа — это что-то вроде битья барабанной палочкой. А если посмотреть, как далеко отскакивает ваша барабанная палочка, можно определить, хорошо ли натянут барабан.

В нашем случае вместо барабана мы давили на нанопузырьки, которые образуются, если графен перенести на идеальную атомарно гладкую поверхность кристалла, например, нитрида бора или того же графита.

Это можно сравнить с приклеиванием защитной пленки на стекло автомобиля или телефона: если пленка большая и тонкая, ее трудно приклеить идеально, у вас часто будут оставаться пузырьки воздуха. С помощью атомно-силового микроскопа мы обнаружили, что такие графеновые пузырьки натянуты на удивление сильно.

Давление внутри них может превышать атмосферное в тысячи раз.

Это значит, что если внутрь такого пузырька поместить чистый кислород, то при комнатной температуре он превратится в жидкость.

manchester.ac.uk

— Правда ли, что эти пузырьки графена сначала вам мешали и на них никто не обращал внимания?

— Да, это действительно так.

Для изучения электронных свойств графена мы стараемся получить однородные образцы, и такие пузырьки — это целая проблема, как и в случае с защитной пленкой, от них трудно избавиться.

Однако, если задуматься, почему же они появляются, можно понять, что графен очень хорошо прикрепляется к поверхности кристалла, а там, где присутствует неоднородность в виде пузырька, графен сильно натянут, а значит, он давит на содержимое пузырька, что само по себе интересно, так как создание больших давлений в лабораторных условиях — это отдельная сложная задача.

— Как и кто решил проверить их на прочность?

— Посмотреть на эти пузырьки было идеей Андрея. Затем наш коллега — теоретик и соавтор статьи — сделал первые вычисления, которые, казалось, легко проверить экспериментально. Поскольку на тот момент я много занималась «сборкой» образцов, проверку поручили мне.

— Какое давление выдерживают пузырьки графена?

— Как уже было упомянуто выше, давление внутри пузырьков может достигать тысяч атмосфер —

это сравнимо с давлением на дне Марианской впадины, для погружения в которую толщина стальных стенок батискафа должна быть около 10 см.

— А насколько важны результаты вашего исследования для повседневной жизни? 

— Думаю, в первую очередь нанопузырьки найдут применение в лабораториях. Начиная с того, что, как мы продемонстрировали, они позволяют измерить модуль упругости двумерных материалов под давлением. Заканчивая генерацией водорода как альтернативного источника энергии. 95% водорода сегодня производят с помощью реакции паровой конверсии углеводородов, которая протекает под давлением в десятки атмосфер, и одна из проблем — это очистка получаемого водорода от остальных продуктов реакции. Нанопузырьки способны выполнить обе задачи: обеспечение высокого давления и выделение чистого водорода, ведь атомарный водород легко проходит через графен и другие двумерные материалы, но не пропускает никакие другие вещества.

— В последнее время к графену приковано внимание всех физиков мира. Почему, на ваш взгляд, всем интересен именно графен? Что в нем такого особенного?

— Надо сказать, не только физиков, но и химиков, и биологов. Это действительно уникальный материал. Уникальность — в его простоте, ведь он состоит из атомов всего одного элемента — углерода. Поэтому можно понять и достаточно точно предсказать многие его свойства. Это очень хорошая платформа для проверки многих физических явлений.

Но стоит отметить, что графен открыл дорогу к исследованию огромного набора двумерных материалов, разнообразных по своей структуре и свойствам, среди них изолятор гексагональный нитрида бора, полупроводник дисульфида молибдена и сверхпроводник диселенида ниобия.

— Где может использоваться графен? Еще, может быть, в медицине?

— Да, применение графена в медицине — это одно из активных направлений исследований. В частности, изучаются суспензии наноразмерных листов графена с функциональными группами (например, молекулами лекарств) на поверхности. Из-за маленькой толщины графена такие листы могут легко проникать через мембраны клеток, целенаправленно доставляя лекарства. Перед разработкой реальных медицинских препаратов важно проверить их возможную токсичность, именно это и делают многие наши коллеги из Школы медицины здесь, в Университете Манчестера.

— Как вы оказались в команде Гейма?

— Еще учась в МГУ, я занималась углеродными материалами в лаборатории профессора Александра Образцова, а после появления графена следила за ходом исследований этого материала, и это было очень вдохновляюще. Не питая особых иллюзий, я написала профессору Ирине Григорьевой, жене Андрея Гейма, которая, к моему удивлению, ответила, что у меня неплохое резюме и что у меня есть шанс получить одну из стипендий от Университета Манчестера. Через год я уже работала у них.

— Еще интересно: опишите Гейма как человека. Какой он и каково это — работать с ним в одной команде?

— Мне сложно судить об Андрее, потому что моим руководителем является Ирина (именно так мы все обращаемся друг к другу — по имени, без отчества).

Могу сказать одно: он работает очень много, семь дней в неделю, и у него действительно есть видение, какие научные задачи решаемы и будут интересны в научном сообществе, а какие — пустая трата времени.

С Ириной я работаю гораздо ближе, она удивительный человек. Начиная с того, что она очень скромная и тактичная, при этом она физик с замечательным научным чутьем. Основной результат статьи — прямое измерение давления в нанопузырьках — это именно ее идея. У нее всегда много интересных идей, но при этом она никогда никого не заставляет, если что-то не получается, она просто делает это сама. Иногда мне кажется, что она способна справиться с любой задачей, мне очень повезло с ней как с руководителем.