Материалы для конференции "Графен-материал будущего"
"Графен - материал будущего" Научно-практическая конференция, посвященная присуждению Нобелевской премии по физике в 2010 году А.Гейму и К.Новоселову «за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена» ЦЕЛЬ: познакомить учащихся с новейшими открытиями в области физики на примере графена ЗАДАЧИ:1. Способствовать формированию естественнонаучного мышления школьников. 2. С помощью несложных экспериментов показать способ получения графена. 3. Формировать у учащихся способность логически мыслить, обобщать, делать выводы. 4.Способствовать формированию межпредметных связей (химия, информатика, научные технологии) 5.Прививать учащимся навыки подготовки и проведения научно-практических конференций. 6. Закрепить в интерактивной форме (компьютерная викторина) знания, полученные в ходе проведения конференции. 7.Воспитывать чувства патриотизма, гордости за великих российских физиков - лауреатов Нобелевской премии. ФОРМА ПРОВЕДЕНИЯ: научно-практическая конференция с применением ИКТ ОБОРУДОВАНИЕ: мультимедиа проектор, компьютер, видеозаписи сообщений об открытии и свойствах графена, компьютерная презентация, стенгазета о Нобелевских лауреатах по физике и их открытиях, стенгазета о российских физиках-лауреатах Нобелевской премии, пространственная кристаллическая решетка графита, скотч, графитовые стержни.
ХОД МЕРОПРИЯТИЯ: Ведущий 1: (Слайд 1) Сегодня мы познакомимся с открытием российских ученых Андрея Гейма и Константина Новоселова, за которое они были удостоены в 2010 году Нобелевской премии по физике. (Слайд 2) Нобелевский комитет при Шведской королевской академии наук присудил премию по физике Андрею Гейму и Константину Новоселову за "новаторские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена". (Слайд 3)Оба лауреата - выходцы из Советского Союза: Андрей Гейм родился в 1958 году в Сочи, Константин Новоселов - в 1974 году в Нижнем Тагиле. (Слайды 4 и 5 ) Таким образом, Костя Новоселов - именно так его обычно именуют в научном мире на Западе - стал теперь самым молодым нобелевским лауреатом по физике. А Андрей Гейм - первым ученым, удостоившимся настоящей Нобелевской премии после получения так называемой Шнобелевской премии. (Слайд 6 ) Эта награда присуждается раз в год за научные достижения, "которые сначала вызывают смех, а затем заставляют задуматься", была ему присуждена в 2000 году за использование магнитного поля для демонстрации левитации лягушек. Сегодня оба новоиспеченных лауреата "большой" Нобелевской премии работают бок о бок в Великобритании, в Манчестерском университете. Ведущий 2: Но сначала обратимся к открытиям всех предшествующих физиков – Нобелевских Лауреатов. В этой газете в хронологической последовательности представлены их работы. А вклад российских ученых - Нобелевских Лауреатов отражен в материалах другой газеты. Хочется отметить, что большинство из этих ученых были преподавателями или сотрудниками Московского физико-технического института. Ведущий 1: Гейм и Новоселов являются выпускниками МФТИ. (Слайды 7 и 8) На слайде вы видите студенческие фотографии и зачетки с отличными оценками будущих Лауреатов. Так что же такое графен? (Слайд 9) Выступающий 1: Пусть в нашем распоряжении имеется наиболее встречаемая в природе разновидность углерода — графит. Графит — сильно анизотропное вещество; он состоит из слабо взаимодействующих плоских слоев атомов углерода. (Слайд 10) То, что связь между атомными плоскостями слабая, можно наблюдать в процессе рисования карандашом на бумаге, когда слои графита легко смещаются и отсоединяются, оставляя на бумаге след. Предположим, что нам каким-то образом удалось «отщепить» от кристалла графита одну атомарную плоскость. Демонстрация: пространственная кристаллическая решетка графита Полученный единичный слой атомов углерода и есть графен. Так что можно считать, что графит — это такой штабель графеновых плоскостей. Атомы графена собраны в гексагональную кристаллическую решетку (по типу пчелиных сот); расстояние между соседними атомами 0,142 нм. Эта «упаковка» настолько плотная, что она не пропускает даже маленькие атомы гелия. (Слайд 11) Хотя термин «графен» в качестве название единичного слоя графита появился относительно недавно, в 1987 году, теоретическое изучение свойств этого вещества началось еще в далеком 1947 году. Однако до 2004 года получить графен не удавалось. Главное препятствие, стоявшее на пути экспериментаторов, заключалось в невозможности стабилизировать форму графена. Из-за стремления минимизировать свою поверхностную энергию он сворачивается, трансформируясь в разнообразные аллотропные модификации углерода — фуллерены, нанотрубки и аморфный углерод. (Примерно так ведет себя свернутый в рулон лист ватмана, когда вы пытаетесь его распрямить.) Не добавляло оптимизма исследователям и заявление авторитетных физиков-теоретиков Рудольфа Пайерлса и Льва Ландау, сделанное более 70 лет назад, о том, что двумерная форма кристаллов не может свободно существовать, поскольку смещения атомов под действием тепловых флуктуаций будут настолько велики, что это приведет к дестабилизации кристаллической решетки и ее распаду на отдельные участки. Тем неожиданнее для научного сообщества стала статья Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, вышедшая в октябре 2004 года в журнале Science, в которой группа ученых из Манчестерского университета и Института проблем технологии микроэлектроники в Черноголовке под руководством Андрея Гейма и Константина Новосёлова сообщила об успешной стабилизации графена. В этой работе они описали методику получения графена и его идентификации как действительно единичного слоя графита. (Слайд 12) Невероятно, но синтез графена ученые осуществили с помощью обычной ленты-скотча. Они раз за разом наклеивали скотч на поверхность пластинки пиролитического графита, а затем ее отклеивали, повторяя процедуру до тех пор, пока графит не станет совсем тонким. ( слайды 13-16) Демонстрация: видеозаписи сообщений об открытии и получении графена.(WWW.1tv.ru; 10.10.2010. Русские ученые из Манчестера получили Нобелевскую премию за открытие графена) Ведущий 1: . С помощью несложного эксперимента и мы с вами сможем попробовать получить графен. Наносим измельченный графит на ленту скотча и, многократно складывая ленту, пытаемся получить как можно тонкий слой графита на ней. Собственно, именно так этот новый материал и был впервые получен: ученые провели мягким графитовым карандашом по бумаге, затем "промокнули" ее клейкой лентой - наподобие того, как это делают криминалисты, снимающие отпечатки пальцев с обнаруженной на месте преступления бутылки Ведущий 2: Эта немыслимо тонкая, практически не имеющая толщины пленка обладает, как оказалось, рядом ценных, а порой и весьма необычных свойств. (Слайд 17) Выступающий 2:Представьте себе материал в миллион раз тоньше листа писчей бумаги! Казалось бы, он должен быть крайне непрочным. Ничего подобного, напротив! Гексагональная кристаллическая структура - своего рода плоские пчелиные соты из атомов углерода - придает графену гибкость, прочность, эластичность, а главное - высокую стабильность, в том числе и при комнатной температуре. Механические свойства графена позволят создать новые прочные, тонкие и эластичные материалы, которые можно будет использовать, например, в самолетостроении и в автомобильной промышленности. Цена вопроса - чуть ли не триллионы долларов. Исследователи из Колумбийского университета заявили, что графен является самым прочным материалом, который когда-либо измерялся. Чтобы порвать пленку графена толщиной в 0,01 мм, понадобится слон, при этом его вес должен уместиться на площади равной кончику карандаша. Для наглядности рассмотрим (Слайд18)гипотетический гамак из графена площадью 1 м2. Зная поверхностную плотность графена (0,77 мг/м2), нетрудно посчитать, что такой гамак имеет массу 0,77 миллиграмм. Несмотря на кажущуюся хрупкость, этот гамак спокойно выдержит взрослого кота (массой приблизительно 4 кг). И хотя из-за двумерности графена сравнивать его прочностные характеристики с другими 3D-материалами некорректно, для стального гамака такой же толщины «критическая» масса, приводящая к разрыву, была бы в 100 раз меньше. То есть графен на два порядка прочнее стали, точнее в 200 раз. Что же касается оптических свойств, (Слайд 19) то графен поглощает лишь около 2,3% видимого света независимо от того, какую длину волны имеет падающее на него излучение. Это означает, что графен практически бесцветен (то есть стороннему наблюдателю будет казаться, что никакого графенового гамака нет, а кот завис в воздухе). Почти полная прозрачность графена предполагает использование его в сенсорных экранах, а если вспомнить о его «сверхтонкости», то понятны перспективы его применения для будущих гибких компьютеров(которые можно свернуть в трубочку подобно газете), часов-браслетов, мягких световых панелей. (Слайд 20) Выступающий 3: Графен обладает высокой электропроводностью. Это последнее свойство делает его особенно привлекательным материалом для электронной отрасли, - говорит профессор Гейм: "Для полупроводниковой промышленности очень важно иметь материалы, в которых носители электрического заряда могли бы передвигаться без помех. Ведь повсюду, где электроны рассеиваются на кристаллической решетке, выделяется тепло. Эти потери, в конечном счете, и ограничивает рабочую частоту электронных компонентов. В самом распространенном полупроводниковом материале - кремнии - электроны могут передвигаться относительно свободно. Но, скажем, у арсенида галлия этот показатель в шесть раз выше. Поэтому в мобильных телефонах и приемниках спутниковых сигналов сегодня используются микропроцессоры на основе арсенида галлия".Графен - рекордсмен по подвижности электронов. Эта величина показывает, насколько свободно носители заряда могут передвигаться внутри материала. То, что в графене этот показатель исключительно высок, стало ясно сразу же после открытия нового материала: профессор Гейм уже тогда отмечал, что в графене электроны преодолевают расстояния, в тысячи раз превышающие межатомные, не рассеиваясь и вообще практически не реагируя на внешнюю среду. Дальнейшие измерения показали, что по подвижности электронов графен превосходит все известные твердые вещества. "В графене подвижность электронов в 10 - 20 раз выше, чем в арсениде галлия, который применяется довольно широко именно потому, что характеризуется высокой подвижностью носителей заряда, - поясняет Андрей Гейм. - Это значительный качественный скачок, который открывает новые перспективы в разработке более быстрых электронных компонентов. Благодаря своим свойствам, графен считается следующим поколением материалов, которые найдут свое применение в наноэлекронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. (Слайд21) Нынешние компьютеры на кремниевых или арсенид-галлиевых микропроцессорах работают с тактовой частотой, измеряемой в мегагерцах и гигагерцах. Графен же позволит создать чипы, пригодные для терагерцовых, то есть в 1000 раз более высоких частот» Профессор Гейм уверен, что со временем графен изменит повседневную жизнь человека не менее радикально, чем это некогда сделали полимеры Выступающий 4: В настоящее время наиболее обсуждаемым и популярным проектом является использование графена как нового «фундамента» микроэлектроники, призванного заменить существующие технологии на базе кремния, германия и арсенида галлия Высокая подвижность зарядов вместе с атомарной толщиной делают графен идеальным материалом для создания маленьких и быстрых полевых транзисторов — «кирпичиков» микроэлектронной промышленности. (Слайд 22) Сотрудники лаборатории IBM, сумели создать графеновый транзистор, работающий на частоте 100 ГГц (это в 2,5 раза превышает быстродействие транзистора того же размера, изготовленного на кремниевой основе). Графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни. Сочетание прозрачности, хорошей электрической проводимости и эластичности графена привело к мысли использовать его при создании сенсорных дисплеев и фотоэлементов для солнечных батарей. В ходе экспериментов было доказано, что почти по всем показателям устройства подобного рода на основе графена лучше, чем используемые сейчас устройства на основе оксида индия-олова (сокращенно ITO). Выступающий 5: Чтобы показать, насколько перспективен графен, приведем далеко не полный список областей, где его использование уже началось: • это материал для изготовления электродов в ионисторах — конденсаторах с огромной емкостью, порядка 1 Ф (фарад) и больше;(Слайд 23) • на основе графена создаются микрометровые газовые сенсоры, способные «почувствовать» даже одну молекулу газа; (Слайды 23-25) • с помощью графена ученые провели секвенирование ДНК; (Слайд 26) • в комбинации с лазером графен может оказаться лекарством от рака. В сообщении Шведской академии о присуждении премии говорится, что в будущем из пластика с добавлением графена могут производиться спутники, самолеты и автомобили, необыкновенно легкие и прочные. Вы сами подумайте: у вас есть материал, самый тонкий из всех, которые можно создать. Это самый прочный материал, который можно получить, самый эластичный, самый проводящий, у него есть еще с десяток свойств, к которым применимо слово "самый". Выступающий 6: Графен – материя толщиной в атом. Графен похож на ткань. Только в 200 раз прочнее стали. Прозрачный, тонкий, не рвется, зато тянется и гнется во все стороны. Это снаружи. А внутри скорость перемещения электронов в нем в 200 раз выше, чем в кремнии, на базе которого сейчас работает вся микроэлектроника. В сущности, с приходом графена эту самую микроэлектронику ждет технологическая революция. Гаджеты станут на порядки легче, быстрее, компактнее, многофункциональнее. Южные корейцы уже сейчас вовсю демонстрируют рекламный фильм о возможностях графеновых дивайсов. (Слайд 27) В их представлении это такие тонкие гибкие пластинки, которые совместят в себе все, что вам вообще может потребоваться для связи и получения информации: мобильный телефон, телевизор, интернет, навигатор. Это типичные нанотехнологии. Великий углерод, став когда-то основой жизни биологической, вот-вот, похоже, станет основой жизни микроэлектронной. Весь вопрос в технологии получения, над которыми работает сейчас чуть ли не весь мир. Основные трудности заключаются в синтезе высококачественных недорогих листов графена большой площади, имеющих стабильную форму. В июне 2010 года в журнале Nature Nanotechnology появилась совместная статья корейских, сингапурских и японских технологов, в которой они пишут о получении (Слайд 28) 30-дюймовых (72 см) графеновых листов методами, которые, возможно, поставят производство двумерного углерода на поток. И тогда, наверное, поутихнут разговоры о том, что Нобелевская премия по физике за 2010 год была выдана графену как своеобразный аванс на будущее. Если технология окажется рентабельной, нас ждет новый, совершенно новый мир. Выступающий 7: Открытие Андрея Гейма Константина Новоселова спровоцировало настоящую графеновую лихорадку. Изученные свойства графена позволяют говорить об уникальном сочетании уникальных свойств этого материала. Потенциальные области применения графена включают: (Слайд 29) замену углеродных волокон в композитных материалах, с целью создания более легковесных самолетов и спутников; замена кремния в транзисторах; внедрение в пластмассу, с целью придания ей электропроводности; датчики на основе графена могут обнаруживать опасные молекулы; прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и для мониторов; более устойчивые к механическому воздействию медицинские импланты; улучшение тачскринов; герметичные пластиковые контейнеры, которые позволят неделями хранить в нем еду, и она будет оставаться свежей; наноленты из графена отправят в утиль компактдиски и т.д. И это всего лишь вершина айсберга возможностей применения графена. Представьте себе последствия хотя бы только компьютерной революции. IBM уже продемонстрировала 100 GHz транзистор на основе графена и заявила, что на горизонте уже маячит процессор мощностью в 1 THz. Графен предоставляет неограниченные возможности практически во всех областях индустрии и производства.
Завершающим этапом научно-практической конференции явилась викторина, состоящая из вопросов, представленных на слайдах компьтерной презентации, и награждение наиболее активных участников.
Литература: 1. Интернет-ресурсы 2. Википедия. Свободная энциклопедия 3. Лекции лауреата Нобелевской премии по физике 2010 г. К.Новоселова о графене, прочитанная для участников III Международного Форума по нанотехнологиям), а также видеозапись мастер - класса 4." Предложен способ лечения рака с помощью графена и лазера", «Элементы», 07.09.2010. 6. WWW.1tv.ru; 11.09.2011. В 12- часовых новостях на первом канале сюжет о визите К.Новоселова в Москву с рассказом о применении графена.