Сэр Андрей Константинович Гейм – действительный член Королевского общества, сотрудник университета Манчестера и британско-голландский физик, родившийся в России. Вместе с Константином Новоселовым в 2010 г. он был удостоен Нобелевской премии по физике за его работы по графену. В данное время является Региус-профессором и директором Центра мезонауки и нанотехнологий университета Манчестера.
Андрей Гейм: биография
Родился 21.10.58 в семье Константина Алексеевича Гейма и Нины Николаевны Байер. Его родители были советскими инженерами немецкого происхождения. По словам Гейма, бабушка его матери была еврейкой, и он страдал от антисемитизма, потому что его фамилия звучит по-еврейски. У Гейма есть брат Владислав. В 1965 г. его семья переехала в г. Нальчик, где он учился в школе, специализировавшейся на английском языке. Окончив ее с отличием, он дважды пытался поступить в МИФИ, но принят не был. Тогда он подал документы в МФТИ, и на это раз ему удалось поступить. По его словам, студенты учились очень напряженно – давление было настолько сильным, что нередко люди ломались и оставляли учебу, а некоторые заканчивали депрессией, шизофренией и самоубийством.
Академическая карьера
Андрей Гейм получил диплом в 1982 г., а в 1987-м стал кандидатом наук в области физики металлов Института физики твердого тела РАН в Черноголовке. По словам ученого, в то время он не хотел заниматься этим направлением, предпочитая физику элементарных частиц или астрофизику, но сегодня он доволен своим выбором.
Гейм работал научным сотрудником Института технологий микроэлектроники в РАН, а с 1990 года – в университетах Ноттингема (дважды), Бата и Копенгагена. По его словам, за рубежом он мог заниматься исследованиями, а не иметь дела с политикой, потому и решил покинуть СССР.
Работа в Нидерландах
Свою первую штатную должность Андрей Гейм занял в 1994 году, когда стал доцентом университета Неймегена, где занимался мезоскопической сверхпроводимостью. Позже он получил голландское гражданство. Одним из его аспирантов был Константин Новоселов, который стал его главным научным партнером. Тем не менее, по словам Гейма, его академическая карьера в Нидерландах была далеко не безоблачной. Ему предлагали профессуру в Неймегене и Эйндховене, но он отказался, так как нашел голландскую академическую систему слишком иерархической и исполненной мелкого политиканства, она совершенно не похожа на британскую, где каждый сотрудник является равноправным. В своей Нобелевской лекции Гейм позже сказал, что такая ситуация была немного сюрреалистичной, так как вне стен университета его тепло встречали везде, в том числе его научный руководитель и другие ученые.
Переезд в Великобританию
В 2001 году Гейм стал профессором физики в университете Манчестера, а в 2002-м был назначен директором Манчестерского центра мезонауки и нанотехнологий и профессором Лэнгуорти. Жена и давний его соавтор Ирина Григорьева также переехала в Манчестер в качестве преподавателя. Позже к ним присоединился Константин Новоселов. С 2007 года Гейм стал старшим научным сотрудником Совета по инженерным и физическим научным исследованиям. В 2010 г. университет Неймегена назначил его профессором инновационных материалов и нанонауки.
Исследования
Гейму удалось найти простой способ изолировать один слой атомов графита, известный как графен, в сотрудничестве с учеными из университета Манчестера и IMT. В октябре 2004 г. группа опубликовала результаты работы в журнале Science.
Графен состоит из слоя углерода, атомы которого расположенных в виде двумерных шестигранников. Это самый тонкий материал в мире, а также один из самых прочных и твердых. У вещества есть множество потенциальных применений, и оно является превосходной альтернативой кремнию. По словам Гейма, одним из первых применений графена может стать разработка гибких сенсорных экранов. Он не запатентовал новый материал, потому что для этого ему потребовалась бы определенная область применения и партнер в промышленности.
Физик занимался разработкой биомиметического адгезива, который стал известен как лента гекко из-за липкости конечностей геккона. Данные исследования еще находятся на ранних стадиях, но уже дают надежду на то, что в будущем люди смогут взбираться на потолки, как Человек-паук.
В 1997 году Гейм изучал возможность воздействия магнетизма на воду, что привело к знаменитому открытию прямой диамагнитной левитации воды, которое получило широкую известность благодаря демонстрации левитирующей лягушки. Также он работал над сверхпроводимостью и занимался мезоскопической физикой.
По поводу выбора субъектов своих изысканий Гейм сказал, что он презирает подход, когда многие выбирают предмет для своей кандидатской диссертации, а затем продолжают ту же тему до выхода на пенсию. Прежде чем он получил первую штатную должность, он менял свою тему пять раз, и это помогло ему многому научиться.
В работе 2001 года он назвал соавтором своего любимого хомячка Тишу.
История открытия графена
В один из осенних вечеров 2002 года Андрей Гейм размышлял об углероде. Он специализировался на микроскопически тонких материалах и задавался вопросом, как тончайшие слои вещества могут вести себя в определенных экспериментальных условиях. Графит, состоящий из одноатомных пленок, был очевидным кандидатом для исследований, но стандартные методы выделения сверхтонких образцов перегрели бы и разрушили его. Поэтому Гейм поручил одному из новых аспирантов Да Цзяну попытаться получить настолько тонкий образец, насколько это будет возможно, хотя бы в несколько сотен слоев атомов, полируя кристалл графита размером в один дюйм. Несколько недель спустя Цзян принес крупицу углерода в чашке Петри. После изучения ее под микроскопом Гейм попросил его попробовать еще раз. Цзян сообщил, что это все, что осталось от кристалла. В то время, когда Гейм в шутку упрекал его в том, что аспирант стер гору, чтобы получить песчинку, один из его старших товарищей увидел в мусорной корзине комки использованного скотча, липкая сторона которого была покрыта серой, слегка блестящей пленкой остатков графита.
В лабораториях по всему миру исследователи используют ленту для проверки адгезионных свойств экспериментальных образцов. Слои углерода, составляющие графит, связаны слабо (с 1564 г. материал используется в карандашах, так как он оставляет видимый след на бумаге), так что скотч легко отделяет чешуйки. Гейм поместил кусок клейкой ленты под микроскоп и обнаружил, что толщина графита была меньше, чем та, которую он видел до сих пор. Складывая, сжимая и разъединяя скотч, он сумел добиться еще более тонких слоев.
Гейму удалось впервые изолировать двумерный материал: одноатомный слой углерода, который под атомным микроскопом имеет вид плоской решетки из шестиугольников, напоминающей пчелиные соты. Физики-теоретики называли такую субстанцию графеном, но они не предполагали, что ее можно получить при комнатной температуре. Им казалось, материал распадется на микроскопические шарики. Вместо этого Гейм увидел, что графен остается в одной плоскости, которая покрывается рябью по мере стабилизации вещества.
Графен: замечательные свойства
Андрей Гейм прибег к помощи аспиранта Константина Новоселова, и они начали по четырнадцать часов в день изучать новое вещество. В следующие два года они провели серию экспериментов, в ходе которых были обнаружены поразительные свойства материала. Из-за его уникальной структуры электроны, не испытывая влияние других слоев, могут передвигаться по решетке беспрепятственно и необычайно быстро. Проводимость графена в тысячи раз больше меди. Первым откровением для Гейма стало наблюдение ярко выраженного «эффекта поля», проявляющегося в присутствии электрического поля, которое позволяет контролировать проводимость. Данный эффект является одной из определяющих характеристик кремния, используемого в компьютерных чипах. Это говорит о том, что графен может стать его заменой, которую производители компьютеров искали в течение многих лет.
Путь к признанию
Гейм и Константин Новоселов написали трехстраничную работу с описанием своих открытий. Ее дважды отклонял Nature, один рецензент которого заявил, что изоляция стабильного двумерного материала невозможна, а другой не увидел в ней «достаточного научного прогресса». Но в октябре 2004 г. статья под названием «Эффект электрического поля в углеродных пленках атомарной толщины» была опубликована в журнале Science, произведя большое впечатление на ученых – у них на глазах фантастика становилась реальностью.
Лавина открытий
Лаборатории всего мира начали исследования с использованием техники клейкой ленты Гейма, и ученые выявили другие свойства графена. Хотя это был самый тонкий материал во Вселенной, он был в 150 раз прочнее стали. Графен оказался податливым, как резина, и мог растягиваться до 120% своей длины. Благодаря исследованиям Филиппа Кима, а затем ученых Колумбийского университета было обнаружено, что данный материал еще более электропроводен, чем было установлено ранее. Ким поместил графен в вакуум, где ни один другой материал не мог замедлить движения его субатомных частиц, и показал, что тот обладает «подвижностью» – скоростью, с которой электрический заряд проходит через полупроводник – в 250 раз большей, чем у кремния.
Гонка технологий
В 2010 году, через шесть лет после открытия, которое совершили Андрей Гейм и Константин Новоселов, Нобелевская премия им все-таки была вручена. Тогда СМИ называли графен «чудо-материалом», веществом, которое, «может изменить мир». К нему обратились академические исследователи в области физики, электротехники, медицины, химии и др. Выданы патенты на использование графена в аккумуляторах, гибких экранах, системах опреснения воды, усовершенствованных солнечных батареях, сверхбыстрых микрокомпьютерах.
Ученые в Китае создали самый легкий материал в мире – графен-аэрогель. Он в 7 раз легче воздуха – один кубометр вещества весит всего 160 г. Графен-аэрогель создается путем высушивания замораживанием геля, содержащего графен и нанотрубки.
В университет Манчестера, где работают Гейм и Новоселов, британское правительство вложило 60 млн долларов, чтобы создать на его базе Национальный институт графена, который бы позволил стране быть наравне с лучшими мировыми патентообладателями – Кореей, Китаем и Соединенными Штатами, которые начали гонку за созданием первых в мире революционных продуктов на основе нового материала.
Почетные звания и награды
Эксперимент с магнитной левитацией живой лягушки принес не совсем тот результат, который ожидали Майкл Берри и Андрей Гейм. Шнобелевская премия была вручена им в 2000 г.
В 2006 г. Гейм получил награду журнала Scientific American 50.
В 2007 г. Институт физики присудил ему премию и медаль Мотта. Тогда же Гейма избрали членом Королевского общества.
Гейм и Новоселов разделили премию 2008 года «Еврофизика» «за обнаружение и изоляцию одноатомного слоя углерода и определение его замечательных электронных свойств». В 2009 году он получил награду Кербера.
Очередная премия Андрея Гейма, имени Джона Карти, которой он был награжден Национальной академией наук США в 2010 году, была дана «за его экспериментальную реализацию и исследование графена, двумерной формы углерода».
Также в 2010 г. он получил одно из шести почетных профессорских званий Королевского общества и медаль Хьюза «за революционное открытие графена и выявление его замечательных свойств». Гейм был удостоен почетных докторских степеней Делфтского технического университета, Высшей технической школы Цюриха, университетов Антверпена и Манчестера.
В 2010 г. он стал кавалером ордена Нидерландского льва за вклад в голландскую науку. В 2012 г. за заслуги перед наукой Гейм был произведен в рыцари-бакалавры. Он был избран иностранным членом-корреспондентом академии наук Соединенных Штатов в мае 2012 г.
Нобелевский лауреат
Гейму и Новоселову за новаторские исследования графена была присуждена Нобелевская премия по физике 2010 г. Услышав о награде, Гейм заявил, что не ожидал получить ее в этом году и не собирается по этому поводу менять свои ближайшие планы. Современный ученый-физик выразил надежду на то, что графен и другие двумерные кристаллы изменят повседневную жизнь человечества так же, как это сделал пластик. Награда сделала его первым человеком, который стал лауреатом Нобелевской и Шнобелевской премии одновременно. Лекция состоялась 8 декабря 2010 года в Стокгольмском университете.
