Az ezerarcú szén hihetetlen története

OZOGÁNY ERNŐ

Andre Konstantinovich Geim nemcsak a fizikusok, hanem a széles nagyközönség körében egy további találmánya kapcsán, a szupertapadó gekkó-ragasztószalag megalkotójaként ismert, amelyet a lábujjainak végén apró tapadókorongokkal rendelkező, a plafonon is szaladgáló gyíkfajtáról nevezett el. A csodaragasztó feltalálásától egyenes út vezetett a nagyon vékony rétegek fizikáját felhasználó, egyetlen atom vastagságú „hártya” kifejlesztéséig. Az is örömteli, hogy idén a Nobel-díj bizottság visszatért a múlt század első felére jellemző gyakorlathoz: volt mersze egy fiatal kutatónak odaítélni a fizikai felfedezésekért járó kitüntetést. Bár a legtöbb róla szóló tudósítás megemlíti a korát, Konstantin Sergeevich Novoselov a maga harminchat évével korántsem a legfiatalabb a sorban. Ez a dicsőség William Lawrence Braggot illeti meg, akit huszonöt évesen tüntettek ki, Werner Heisenberg és Paul Dirac harmincegy, Rudolf Mössbauer harminckét, Brian Josephson harminchárom, Max von Laue harmincöt volt a díj átvételekor. Hozzájuk képest Marie Curie-Sklodowska szinte nagymamának tűnhet a maga harminchat évével.

A fentiekből is kiderül, hogy a két kutató közül az előbbi a színesebb egyéniség.

Andre Konstantinovich Geim 1958. október 1-jén a világhírű szovjet üdülőhelyen, Szocsiban látta meg a napvilágot. A nevezetes moszkvai műegyetememen, a Fiztechen végzett 1982-ben, ezt követően az egykori szovjet, ma orosz tudományos akadémia chemkogolovkai kutatóintézetében kezdett a szupravezetéssel foglakozni. Doktorátusát 1987-ben szerezte meg. Három évvel később Nyugatra távozott, először a nottinghami, majd a bathi, végül a koppenhágai egyetemen folytatott posztdoktorátusi tanulmányokat. A holland nijmegeni egyetem tanára lett, ahol a szupravezetéssel és diamágnességgel foglalkozott. Nagyon alacsony hőmérsékleten – az abszolút nulla fok közelében – a legtöbb anyag elveszíti villamos ellenállását, szupravezetővé válik, ilyenkor diamágnesként is viselkedik, kiszorítja magából a külső mágneses teret. Kutatásait 2001-től a manchesteri egyetemen folytatta. 2007-től az angol tudományos akadémia, a Royal Society tagja.

A nevezetes békalebegtetési kísérletet 2000-ben mutatta be, igazolásául a szerves széntartalmú diamágnesek viselkedésének külső mágneses térben. Tudománytörténeti jelentőségű, hogy miért éppen ezt a kétéltűt használta a bemutatón: kétszáztíz évvel korábban Luigi Galvani olasz tudós épp a rézkampóra feltűzött békacomb rángásából jött rá a villamosság néhány törvényszerűségére, ez alapján megszerkesztette a róla elnevezett galvánelemet. Az időközben holland állampolgárrá lett és nevét latinosan író Andre Konstantinovich Geimet e bemutatója kapcsán az egész világ megismerte.

A tizenhat évvel fiatalabb Konstantin Sergejevich Novoselov Nyizsnij Tagilban született 1974. augusztus 22-én. Ugyancsak a moszkvai Fiztech diákja volt; már tanulmányai alatt a szupravezetés kérdéskörére specializálódott. Fiatal korától szorgalmasan publikál, szinte fantasztikus mennyiségű, negyvenkilenc szakdolgozata jelent meg ez idáig. Doktori tanulmányokra Hollandiába utazott, hogy a szakma egyik legjobbjától, Andre Geimtől sajátítsa el a legújabb ismereteket. A Nobel-díjat hozó kísérleteket együtt végezték. Novoselov megtartotta orosz állampolgárságát, közben megszerezte a nagy-britanniait is, nevét ugyancsak angol helyesírással írja.

A tudósok egy része évtizedek óta meggyőződéssel vallja, hogy nagyon vékony, egy atom átmérőjével összevethető, leheletnél is finomabb hártya elkészítése megvalósítható. Elképzelhetetlenül kicsi méretekről van szó: a milliméter milliomodrészének egy százada egy átlagos atom átmérője. Szinte hihetetlen, de tény, hogy az amerikai P. R. Wallace a múlt század negyvenes éveiben kiszámította az egy atom vastagságú anyag elektronszerkezetét. Kollégáinak nagy része ezt elméleti játéknak vette, tekintve, hogy szinte lehetetlen egyatomnyi vastag hártyát előállítani. Azt még a legnagyobb fantáziával megáldottak sem tudták elképzelni, milyen hihetetlen szilárdságú anyagból kell elkészíteni az ilyen hártyát, hogy egyben maradjon. Aztán néhányuknak elképesztő ötlete támadt: nem a kemény anyagok között kell keresni, erre a célra a vajpuha grafit a legalkalmasabb. Ugyanaz a vegyi elem, amelyből a ceruzákat készítik.

A szén a természet minden bizonnyal legnagyobb csodája: szervetlen formában a grafit mellett kőszén és gyémánt formájában fordul elő, szerves alakjában földgázként és kőolajkén, amiből gyógyszereket, vegyszereket, műanyagot lehet gyártani, ráadásul az egysejtűektől az egész növényvilágon át az emberi szervezetig bezárólag minden élő szervezet alapja. Csak van vele egy nagy probléma: vegyileg nagyon stabil, bár képes reakcióba lépni, de csak más elemekkel. Önmagával szinte soha. Nos, 1985-ben Robert F. Curl, Harold W. Kroto és Richard E. Smalley átvágta a gordiuszi csomót: felfedezték az egymilliomod milliméter átmérőjű, hatvan szénatomból álló „gömböcskét”, amely a keresztségben a fullerén nevet kapta. Ezzel igazolódott, hogy a szén képes önmagával reakcióba lépni. Meglepő, de nem valamilyen műszaki kérdésre keresték a választ, amikor világrengető felfedezésüket megtették, egy széncsillag közelében lejátszódó fizikai folyamatokat próbáltak modellezni. Kísérleteik közben olyan atomfürtök jöttek létre, amelyek hatvan szénatomot tartalmaztak. Hogy mekkora áttörést jelentett felismerésük, arra a legjobb példa, hogy tizenegy év múltán mindhárman megkapták érte a kémiai Nobel-díjat. Tudományos beszámolójuk a fullerén felfedezéséről felbolygatta a kutatók világát, egyre lázasabban kezdték keresni a szén–szén „vegyületeket”. Aki keres, az talál: Sumio Iijima japán tudós 1991-ben felfedezte a szén-nanocsöveket. A megnevezés onnan ered, hogy méretük nagyjából egymilliomod milliméter, vagyis egy nanométer. Az ilyen nanocső egy atom vastagságú, egyik irányban hosszúra nyúlt fullerénmolekulák sora, amelyek „feltekert” állapotban vannak, végüket egy-egy fullerén félgömb zárja le. Mivel ő is grafittal dolgozott, egyre nyilvánvalóbbá vált, hogy jó úton jár. Mint kiderült, a grafit csak azért vajpuha, mivel lemezes szerkezetű, viszont ezek az atomnyi vastagságú lemezek akár gyémánt szilárdságúak is lehetnek. Csak makroszkopikus hártyákat kell tudni kialakítani belőlük.

Iijima felfedezése után nagy reményeket fűztek a szénnanocsövek ipari alkalmazásához, annál is inkább, mivel kiderült, hogy mind nagy villamos vezetőképességű anyagokat, mind félvezető tulajdonságúakat is elő lehet állítani belőlük. Csakhogy ipari méretekben nem sikerült megoldani a nanocsövek növesztését. Laboratóriumi körülmények között az eredmény fekete grafitporszerű anyag, amelyben keverednek a különböző tulajdonságú anyagrészecskék, melyeket eddig nem sikerült szétválasztani.

Geim és Novoselov más utat választott: a feltekeredett fullerén nanocsövecskék növesztése, majd szétválogatása helyett azt tűzték ki célul, hogy „széttekerik” az apró kis hengert, önmagával kapcsolva össze az egyes szénláncokat, mint amikor a takácsok a fonalból összefüggő szövetet szőnek, ami az adott célhoz szükséges méretű darabokra szabdalható. Ezzel a bravúrral egy csapásra megoldódott a fő probléma: nincs szükség a különböző tulajdonságú nanocsövek szétválasztására, hiszen egy homogén anyag keletkezik. Az általuk előállított hártyát úgy a legegyszerűbb elképzelni, mint egy méhviasz lapot, ahol a hatszögletű kristálysejtek csomópontjaiban helyezkednek el az egyes szénatomok. A két orosz tudós által megalkotott hártyának nemcsak villamos tulajdonságai alakíthatók ki a célnak megfelelően, hanem szakítószilárdsága is elképesztően nagy.

A szénnek van egy hasonló, négy vegyértékű párja, a szilícium, viszont ez mai ismereteink szerint csakis szervetlen formában fordul elő, mely a kvantummechanika egyik bravúrjának, az integrált áramköröknek az alapját képezi. Most már kimondható: nem sokáig. A grafitból Geim és Novoselov által kifejlesztett, atomnyi vastagságú grafénhártya hamarosan kiszorítja a gyakorlatból. A grafén elképesztően sokoldalú: a réznél sokkal jobban vezeti az áramot, de félvezetőként is megállja a helyét, mivel vezetési tulajdonságai szabályozhatók, helyettesítheti a szilíciumot .

A jelenlegi, szilíciumalapú integrált áramkörök egyik nagy hiányossága modern korunkban, hogy egy áramköri szeletkén egymillió tranzisztornál több nem zsúfolható össze. Viszont ez lelassítja a belőlük épített számítógépeket, ahol már az esetlegesen „átugráló”, tehát üzemzavart okozó elektronok mellett a fény haladási sebessége (amely háromszázmillió méter másodpercenként!) is akadálya a gép műveleti sebessége növelésének. E „hiba” kiküszöbölésére a grafén kiválóan alkalmas. Jelenlegi ismereteink szerint akár egymilliószor több tranzisztort lehet ugyanakkora felületen kialakítani, a jövő számítógépei ennek megfelelően akár százezerszer gyorsabbak és „okosabbak” lehetnek a maiaknál. De ez még csak egy-két évtizedes távlatban rajzolódik ki. Hogy mi a gyakorlatban megvalósítható határ, az pillanatnyilag beláthatatlan. Akárcsak további felhasználási területe. A grafén nagy szilárdságának köszönhetően az élet szinte minden területén alkalmazható, műanyaggal vegyítve nagy szakítószilárdságú és szuperkönnyű anyagok állíthatók elő belőle, ennek megfelelően akár űreszközökben, autókban vagy a repülőgépiparban is felhasználható. Ha sikerül az ipari előállítását megoldani, akár százkilós gépkocsival utazhatunk, egytonnás repülőkkel szánthatjuk az eget. Egy biztos: a grafén teljesen át fogja alakítani a mindennapi életet. A Nobel-díj bizottság döntése ezúttal igazi telitalálat volt. Az emberiség áldani fogja a két orosz kutató, Geim és Novoselov nevét.