Андрэй Гейм, сучасны навуковец фізік: біяграфія, навуковыя дасягненні, узнагароды і прэміі

Сэр Андрэй Канстанцінавіч Гейм - сапраўдны член Каралеўскага таварыства, супрацоўнік універсітэта Манчэстэра і брытанска-галандскі фізік, які нарадзіўся ў Расеі. Разам з Кастусём Навасёлава ў 2010 г. ён быў ганараваны Нобелеўскай прэміі па фізіцы за яго працы па графену. У дадзены час з'яўляецца Региус-прафесарам і дырэктарам Цэнтра мезонауки і нанатэхналогій універсітэта Манчэстэра.

Андрэй Гейм: біяграфія

Нарадзіўся 21.10.58 у сям'і Канстанціна Аляксеевіча Гейм і Ніны Мікалаеўны Баер. Яго бацькі былі савецкімі інжынерамі нямецкага паходжання. Па словах Гейма, бабуля яго маці была габрэйкай, і ён пакутаваў ад антысемітызму, таму што яго прозвішча гучыць па-габрэйску. У Гейма ёсць брат Уладзіслаў. У 1965 г. яго сям'я пераехала ў г. Нальчык, дзе ён вучыўся ў школе, якая спецыялізавалася на англійскай мове. Скончыўшы яе з адзнакай, ён двойчы спрабаваў паступіць у МІФІ, але прыняты не быў. Тады ён падаў дакументы ў МФТІ, і на гэта раз яму ўдалося паступіць. Паводле яго слоў, студэнты вучыліся вельмі напружана - ціск быў настолькі моцным, што нярэдка людзі ламаліся і пакідалі вучобу, а некаторыя сканчалі дэпрэсіяй, шызафрэнію і самагубствам.

акадэмічная кар'ера

Андрэй Гейм атрымаў дыплом у 1982 г., а ў 1987-м стаў кандыдатам навук у галіне фізікі металаў Інстытута фізікі цвёрдага цела РАН ў Брунэльцы. Па словах навукоўца, у той час ён не хацеў займацца гэтым напрамкам, аддаючы перавагу фізіку элементарных часціц або астрафізікі, але сёння ён задаволены сваім выбарам.

Гейм працаваў навуковым супрацоўнікам Інстытута тэхналогій мікраэлектронікі ў РАН, а з 1990 года - у універсітэтах Нотынгема (двойчы), Бата і Капенгагена. Паводле яго слоў, за мяжой ён мог займацца даследаваннямі, а не мець справы з палітыкай, таму і вырашыў пакінуць СССР.

Праца ў Нідэрландах

Сваю першую штатную пасаду Андрэй Гейм заняў у 1994 годзе, калі стаў дацэнтам універсітэта Горад Наймеген, дзе займаўся мезоскопической звышправоднасць. Пазней ён атрымаў галандскае грамадзянства. Адным з яго аспірантаў быў Канстанцін Навасёлаў, які стаў яго галоўным навуковым партнёрам. Тым не менш, па словах Гейма, яго акадэмічная кар'ера ў Нідэрландах была далёка не бясхмарнай. Яму прапаноўвалі прафесуру ў Неймегене і Эйндховене, але ён адмовіўся, бо знайшоў галандскую акадэмічную сістэму занадта іерархічнай і выкананай дробнага палітыканства, яна зусім не падобная на брытанскую, дзе кожны супрацоўнік з'яўляецца раўнапраўным. У сваёй Нобелеўскай лекцыі Гейм пазней сказаў, што такая сітуацыя была крыху сюрэалістычна, так як па-за сценамі універсітэта яго цёпла сустракалі ўсюды, у тым ліку яго навуковы кіраўнік і іншыя навукоўцы.

Пераезд у Вялікабрытанію

У 2001 годзе Гейм стаў прафесарам фізікі ў універсітэце Манчэстэра, а ў 2002-м быў прызначаны дырэктарам Манчэстэрскага цэнтра мезонауки і нанатэхналогій і прафесарам Лэнгуорти. Жонка і даўні яго суаўтар Ірына Грыгор'ева таксама пераехала ў Манчэстэр ў якасці выкладчыка. Пазней да іх далучыўся Канстанцін Навасёлаў. З 2007 года Гейм стаў старэйшым навуковым супрацоўнікам Савета па інжынерных і фізічным навуковым даследаванням. У 2010 г. універсітэт Горад Наймеген прызначыў яго прафесарам інавацыйных матэрыялаў і нанонауки.

даследаванні

Гейму ўдалося знайсці просты спосаб ізаляваць адзін пласт атамаў графіту, вядомы як графен, у супрацоўніцтве з навукоўцамі з універсітэта Манчэстэра і IMT. У кастрычніку 2004 г. група апублікавала вынікі працы ў часопісе Science.

Графен складаецца з пласта вугляроду, атамы якога размешчаных у выглядзе двухмерных шасцісценнікаў. Гэта самы тонкі матэрыял у свеце, а таксама адзін з самых трывалых і цвёрдых. У рэчывы ёсць мноства патэнцыйных ужыванняў, і яно з'яўляецца найвышэйшай альтэрнатывай крэмнію. Па словах Гейма, адным з першых ужыванняў графена можа стаць распрацоўка гнуткіх сэнсарных экранаў. Ён не запатэнтаваў новы матэрыял, таму што для гэтага яму спатрэбілася б пэўная вобласць ужывання і партнёр у прамысловасці.

Фізік займаўся распрацоўкай биомиметического адгезівы, які стаў вядомы як стужка Гекко з-за ліпкасць канечнасцяў геккона. Дадзеныя даследаванні яшчэ знаходзяцца на ранніх стадыях, але ўжо даюць надзею на тое, што ў будучыні людзі змогуць узбірацца на столі, як Чалавек-павук.

У 1997 годзе Гейм вывучаў магчымасць ўздзеяння магнетызму на ваду, што прывяло да знакамітага адкрыцця прамой диамагнитной левітацыі вады, якое атрымала шырокую вядомасць дзякуючы дэманстрацыі левитирующей жабы. Таксама ён працаваў над звышправоднасць і займаўся мезоскопической фізікай.

З нагоды выбару суб'ектаў сваіх пошукаў Гейм сказаў, што ён пагарджае падыход, калі многія выбіраюць прадмет для сваёй кандыдацкай дысертацыі, а затым працягваюць тую ж тэму да выхаду на пенсію. Перш чым ён атрымаў першую штатную пасаду, ён мяняў сваю тэму пяць разоў, і гэта дапамагло яму шмат чаму навучыцца.

У працы 2001 года ён назваў сааўтарам свайго любімага хомячка Тишу.

Гісторыя адкрыцця графена

У адзін з восеньскіх вечароў 2002 году Андрэй Гейм разважаў пра вугляродзе. Ён спецыялізаваўся на мікраскапічна тонкіх матэрыялах і задавалася пытаннем, як найтонкія пласты рэчывы могуць паводзіць сябе ў пэўных эксперыментальных умовах. Графіт, які складаецца з аднаатамнага плёнак, быў відавочным кандыдатам для даследаванняў, але стандартныя метады вылучэння звыштонкіх узораў перагрэлі б і разбурылі яго. Таму Гейм даручыў аднаму з новых аспірантаў Ды Цзян паспрабаваць атрымаць настолькі тонкі ўзор, наколькі гэта будзе магчыма, хаця б у некалькі сотняў слаёў атамаў, паліруючы крышталь графіту памерам у адзін цаля. Некалькі тыдняў праз Цзян прынёс макулінку вугляроду ў кубку Петры. Пасля вывучэння яе пад мікраскопам Гейм папрасіў яго паспрабаваць яшчэ раз. Цзян паведаміў, што гэта ўсё, што засталося ад крышталя. У той час, калі Гейм жартам папракаў яго ў тым, што аспірант сцёр гару, каб атрымаць пясчынку, адзін з яго старэйшых таварышаў ўбачыў у сьметніцы камякі выкарыстанага скотчу, ліпкая бок якога была пакрыта шэрай, злёгку бліскучай плёнкай рэшткаў графіту.

У лабараторыях па ўсім свеце даследчыкі выкарыстоўваюць стужку для праверкі адгезійныя ўласцівасці эксперыментальных узораў. Пласты вугляроду, якія складаюць графіт, звязаныя слаба (з 1564 г. матэрыял выкарыстоўваецца ў алоўках, так як ён пакідае бачны след на паперы), так што скотч лёгка аддзяляе лускавінкі. Гейм змясціў кавалак клейкай стужкі пад мікраскоп і выявіў, што таўшчыня графіту была менш, чым тая, якую ён бачыў да гэтага часу. Складаючы, сціскаючы і раз'яднаць скотч, ён здолеў дамагчыся яшчэ больш тонкіх слаёў.

Гейму атрымалася ўпершыню ізаляваць двухмерных матэрыял: аднаатамнага пласт вугляроду, які пад атамным мікраскопам мае выгляд плоскай рашоткі з шасцікутнікаў, якая нагадвае пчаліныя соты. Фізікі-тэарэтыкі называлі такую субстанцыю графене, але яны не меркавалі, што яе можна атрымаць пры пакаёвай тэмпературы. Ім здавалася, матэрыял распадзецца на мікраскапічныя шарыкі. Замест гэтага Гейм ўбачыў, што графен застаецца ў адной плоскасці, якая пакрываецца рабізной па меры стабілізацыі рэчывы.

Графен: выдатныя ўласцівасці

Андрэй Гейм звярнуўся да дапамогі аспіранта Канстанціна Навасёлава, і яны пачалі па чатырнаццаць гадзін у дзень вывучаць новае рэчыва. У наступныя два гады яны правялі серыю эксперыментаў, у ходзе якіх былі выяўленыя дзіўныя ўласцівасці матэрыялу. З-за яго унікальнай структуры электроны, не выпрабоўваючы ўплыў іншых слаёў, могуць перасоўвацца па кратах бесперашкодна і ён надзвычай хутка. Праводнасць графена ў тысячы разоў больш медзі. Першым адкрыццём для Гейма стала назіраньне ярка выяўленага «эфекту поля», які выяўляецца ў прысутнасці электрычнага поля, якое дазваляе кантраляваць праводнасць. Дадзены эфект з'яўляецца адной з вызначальных характарыстык крэмнія, які выкарыстоўваецца ў кампутарных чыпах. Гэта сведчыць пра тое, што графен можа стаць яго заменай, якую вытворцы кампутараў шукалі на працягу многіх гадоў.

Шлях да прызнання

Гейм і Канстанцін Навасёлаў напісалі трехстраничную працу з апісаннем сваіх адкрыццяў. Яе двойчы адхіляў Nature, адзін рэцэнзент якога заявіў, што ізаляцыя стабільнага двухмернага матэрыялу немагчымая, а іншы не ўбачыў у ёй «дастатковага навуковага прагрэсу». Але ў кастрычніку 2004 г. артыкул пад назвай «Эфект электрычнага поля ў вугляродных плёнках атамарна таўшчыні» быў апублікаваны ў часопісе Science, вырабячы вялікае ўражанне на навукоўцаў - у іх на вачах фантастыка станавілася рэальнасцю.

лавіна адкрыццяў

Лабараторыі ўсяго свету пачалі даследаванні з выкарыстаннем тэхнікі клейкай стужкі Гейма, і навукоўцы выявілі іншыя ўласцівасці графена. Хоць гэта быў самы тонкі матэрыял у Сусвеце, ён быў у 150 разоў трывалей сталі. Графен апынуўся падатлівым, як гума, і мог расцягвацца да 120% сваёй даўжыні. Дзякуючы даследаванням Піліпа Кіма, а затым навукоўцаў Калумбійскага універсітэта было выяўлена, што дадзены матэрыял яшчэ больш электрычных дратах, чым было ўстаноўлена раней. Кім змясціў графен ў вакуум, дзе ні адзін іншы матэрыял не мог запаволіць рухі яго субатомных часціц, і паказаў, што той валодае «рухомасцю» - хуткасцю, з якой электрычны зарад праходзіць праз паўправаднік - у 250 разоў большай, чым у крэмнію.

гонка тэхналогій

У 2010 годзе, праз шэсць гадоў пасля адкрыцця, якое здзейснілі Андрэй Гейм і Канстанцін Навасёлаў, Нобелеўская прэмія ім усё-такі была ўручана. Тады СМІ называлі графен «цуда-матэрыялам», рэчывам, якое, «можа змяніць свет». Да яго звярнуліся акадэмічныя даследчыкі ў галіне фізікі, электратэхнікі, медыцыны, хіміі і інш. Выдадзеных патэнтаў на выкарыстанне графена ў акумулятарах, гнуткіх экранах, сістэмах апраснення вады, удасканаленых сонечных батарэях, звышхуткасныя мікракампутар.

Навукоўцы ў Кітаі стварылі самы лёгкі матэрыял у свеце - графен-аэрогель. Ён у 7 разоў лягчэй паветра - адзін кубаметр рэчывы важыць усяго 160 г. Графен-аэрогель ствараецца шляхам высушвання замарожваннем геля, які змяшчае графен і нанатрубкі.

Ва ўніверсітэт Манчэстэра, дзе працуюць Гейм і Навасёлаў, брытанскі ўрад ўклала 60 млн даляраў, каб стварыць на яго базе Нацыянальны інстытут графена, які б дазволіў краіне быць нароўні з лепшымі сусветнымі патентообладателя - Карэяй, Кітаем і Злучанымі Штатамі, якія пачалі гонку за стварэннем першых у свеце рэвалюцыйных прадуктаў на аснове новага матэрыялу.

Ганаровыя званні і ўзнагароды

Эксперымент з магнітнай левітацыі жывы жабы прынёс не зусім той вынік, які чакалі Майкл Бэры і Андрэй Гейм. Шнобелеўскія прэмія была ўручана ім ў 2000 г.

У 2006 г. Гейм атрымаў узнагароду часопіса Scientific American 50.

У 2007 г. Інстытут фізікі прысудзіў яму прэмію і медаль Мота. Тады ж Гейма абралі чальцом Каралеўскага грамадства.

Гейм і Навасёлаў падзялілі прэмію 2008 года «Еврофизика» «за выяўленне і ізаляцыю аднаатамнага пласта вугляроду і вызначэнне яго выдатных электронных уласцівасцяў». У 2009 годзе ён атрымаў узнагароду Кербера.

Чарговая прэмія Андрэя Гейм, імя Джона Карці, якой ён быў узнагароджаны Нацыянальнай акадэміяй навук ЗША ў 2010 годзе, была дадзена «за яго эксперыментальную рэалізацыю і даследаванне графена, двухмернай формы вугляроду».

Таксама ў 2010 г. ён атрымаў адно з шасці ганаровых прафесарскіх званняў Каралеўскага таварыства і медаль Х'юза «за рэвалюцыйнае адкрыццё графена і выяўленне яго выдатных уласцівасцяў». Гейм быў ўдастоены ганаровых доктарскіх ступеняў Делфтского тэхнічнага універсітэта, Вышэйшай тэхнічнай школы Цюрыха, універсітэтаў Антвэрпэна і Манчэстэра.

У 2010 г. ён стаў кавалерам ордэна Нідэрландскага льва за ўклад у галандскую навуку. У 2012 г. за заслугі перад навукай Гейм быў выраблены ў рыцары-бакалаўры. Ён быў абраны замежным чальцом-карэспандэнтам акадэміі навук Злучаных Штатаў у маі 2012 г.

нобелеўскі лаўрэат

Гейм і Навасёлаву за наватарскія даследаванні графена была прысуджана Нобелеўская прэмія па фізіцы 2010 г. Пачуўшы пра ўзнагароду, Гейм заявіў, што не чакаў атрымаць яе ў гэтым годзе і не збіраецца з гэтай нагоды мяняць свае бліжэйшыя планы. Сучасны навуковец-фізік выказаў надзею на тое, што графен і іншыя двухмерныя крышталі зменяць паўсядзённае жыццё чалавецтва гэтак жа, як гэта зрабіў пластык. Узнагарода зрабіла яго першым чалавекам, які стаў лаўрэатам Нобелеўскай і Шнобелеўскія прэміі адначасова. Лекцыя адбылася 8 снежня 2010 года ў Стакгольмскім універсітэце.