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俄裔英國(guó)物理學(xué)家安德烈·海姆、康斯坦丁·諾沃肖洛夫：

世界最薄碳片是如何被發(fā)現(xiàn)的

　　蜂窩狀的碳薄片（圖片來(lái)源：諾貝爾獎(jiǎng)基金會(huì)網(wǎng)站）

　　科學(xué)家們用詩(shī)一般的語(yǔ)言來(lái)描述這種新材料的奇異性質(zhì)：它像塑料一樣柔軟卻比鉆石更堅(jiān)硬，它能像金屬一樣導(dǎo)電但又像玻璃一樣透明，它的導(dǎo)電性能超過(guò)任何已知的材料，而且，它有相當(dāng)好的致密性，即使最小的氣體原子氦也無(wú)法穿過(guò)！嗯，它會(huì)有無(wú)限的應(yīng)用前景。

　　2004年一個(gè)星期五的夜晚，在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的一間物理實(shí)驗(yàn)室，兩位物理學(xué)家想得到一種最薄的石墨層。他們幾乎赤手空拳：像鉛筆芯一樣的石墨、透明膠帶、顯微鏡，當(dāng)然，還有他們的手和大腦。

　　他們用透明膠帶從石墨上粘貼、剝離出薄片，然后用膠帶在薄片上再反復(fù)粘貼、剝離20至30次，直到它們?cè)絹?lái)越薄；之后，將這些薄片放到氧化硅基板上，用原子力顯微鏡觀察，他們發(fā)現(xiàn)了單層石墨薄片：一張厚度只有原子大小的單層網(wǎng)，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都是一個(gè)完美的六邊形，每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)碳原子；而且，這種薄片還有特異的電子學(xué)和力學(xué)性能。??！這是一種全新的材料——一張大自然編織的美麗、神秘的網(wǎng)！

　　他們將之稱(chēng)為單層石墨片或石墨烯，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)上的碳原子都是通過(guò)碳—碳雙鍵鏈接。

　　6年后，瑞典皇家科學(xué)院決定將2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予這兩位物理學(xué)家：安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，表彰他們?cè)诙S材料石墨烯方面“突破性的實(shí)驗(yàn)”。

　　兩個(gè)人的故事

　　“當(dāng)你們認(rèn)為我們是在做物理時(shí)，實(shí)際上我們不是，我們?cè)谧隹茖W(xué)，這意味著我們有太多的興趣，比任何物理學(xué)特定的領(lǐng)域或物理學(xué)本身都寬得多。”——康斯坦丁·諾沃肖洛夫

　　兩人均出生于俄羅斯，畢業(yè)于莫斯科理工大學(xué)，并在莫斯科開(kāi)始其物理學(xué)研究。他們從荷蘭開(kāi)始合作，至今長(zhǎng)達(dá)12年。

　　安德烈·海姆今年51歲，荷蘭國(guó)籍，1987年在俄羅斯科學(xué)院固體物理研究所獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為英國(guó)曼徹斯特大學(xué)介觀科學(xué)和納米技術(shù)中心主任、朗沃席物理學(xué)教授、英國(guó)皇家科學(xué)院2010年度研究教授。

　　諾沃肖洛夫今年36歲，擁有英國(guó)和俄羅斯雙重國(guó)籍，2004年在荷蘭奈梅亨大學(xué)獲得博士學(xué)位?，F(xiàn)任曼徹斯特大學(xué)教授和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)研究會(huì)員。

　　在研究界，海姆像一個(gè)漫游者，從俄羅斯漫游到荷蘭，再到英國(guó)。他說(shuō)：“對(duì)我而言，年復(fù)一年地做同樣的事非常無(wú)趣，因此，無(wú)論我們?cè)谧鋈魏翁囟ㄑ芯浚铱偸峭瑫r(shí)尋找還可能做的事。”

　　在荷蘭時(shí)，海姆邀請(qǐng)諾沃肖洛夫來(lái)奈梅亨大學(xué)攻讀學(xué)位，他不是諾沃肖洛夫的博士生導(dǎo)師，但兩人的合作卻從此開(kāi)始。

　　“你看他是多么的好！”海姆在接受諾貝爾獎(jiǎng)基金會(huì)網(wǎng)站采訪時(shí)說(shuō)，“所以，當(dāng)我離開(kāi)荷蘭時(shí)所做的第一件事就是邀請(qǐng)他作為博士后到英國(guó)來(lái)，盡管他當(dāng)時(shí)還沒(méi)有獲得博士學(xué)位。我們的合作一直持續(xù)到現(xiàn)在，12年了。我不認(rèn)為一位博士生和正教授之間有多大差別，只要努力且有效率地工作，所有人的都是同事，也值得尊重，我們沒(méi)有爭(zhēng)執(zhí)，將來(lái)永遠(yuǎn)也不會(huì)有爭(zhēng)執(zhí)，他是少數(shù)幾位我真正高興與之共享工作時(shí)間的人。”

　　諾沃肖洛夫表示：“安德烈是一位神奇的物理學(xué)家，坦誠(chéng)地說(shuō)，我從他身上學(xué)到很多東西，我對(duì)物理學(xué)的所有知識(shí)基本上都是從他那里學(xué)來(lái)的……當(dāng)你們認(rèn)為我們是在做物理時(shí)，實(shí)際上我們不是，我們?cè)谧隹茖W(xué)，這意味著我們有太多的興趣，比任何物理學(xué)特定的領(lǐng)域或物理學(xué)本身都寬得多，因此，我們?cè)噲D對(duì)每件事都保持興趣，而且最重要的是要有趣。所以，安德烈引入了星期五夜實(shí)驗(yàn)的慣例。在那里，我們會(huì)做令人著迷、發(fā)狂的事，有時(shí)候會(huì)有結(jié)果，有時(shí)候沒(méi)有。石墨烯就是其中一個(gè)結(jié)果。”

　星期五晚上的實(shí)驗(yàn)

　　那個(gè)晚上的發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)界激起了千層浪花，經(jīng)久不衰。

　　兩人對(duì)石墨烯的工作源自他們想研究石墨的電子學(xué)特性。

　　作為地球上所有生命的基礎(chǔ)，碳是元素周期表中最神奇的一種元素。從柔軟的石墨到堅(jiān)硬的鉆石，碳有幾種不同的存在形式，石墨是其中最普遍的存在形式，由一層層的網(wǎng)狀碳薄膜堆積而成。

　　早在20世紀(jì)40年代，物理學(xué)家P.R.Wallace已經(jīng)在理論上研究過(guò)石墨烯，預(yù)言因其結(jié)構(gòu)帶來(lái)的特殊電子學(xué)性能。60年代，科學(xué)家們已知道，構(gòu)成石墨的碳薄膜是由一個(gè)個(gè)六邊形網(wǎng)格聯(lián)接而成的網(wǎng)，但他們認(rèn)為，無(wú)法從石墨中剝離出單片的碳薄膜，而且，這種單片的碳薄膜在常溫情況下是不穩(wěn)定的，會(huì)彎曲成管狀或其他形狀。

　　一個(gè)基本的事實(shí)是，盡管碳薄片非常之薄，300萬(wàn)張?zhí)急∑拍芏逊e成1毫米的厚石墨層。但碳片之間吸引力很弱，這使得石墨很柔軟、容易剝落。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。然而在2004年前，沒(méi)有人在實(shí)驗(yàn)上成功剝離出穩(wěn)定的石墨薄片。

　　為了研究石墨的電學(xué)性質(zhì)，海姆和諾沃肖洛夫需要非常薄的石墨薄片，甚至單層碳片。他們最初希望通過(guò)打磨石墨晶體來(lái)獲得這種薄片，但沒(méi)有成功。之后，一位技術(shù)人員向他們演示：如何在被觀察到之前，用透明膠帶清除殘留在隧道掃描顯微鏡上的石墨。在一個(gè)星期五晚上的實(shí)驗(yàn)，他們用透明膠帶得到了一些石墨薄膜，然后，再用這種膠帶反復(fù)粘貼、剝離薄膜，薄膜越變?cè)奖?，直到只有一層。他們將這些石墨薄膜放在氧化硅基底上，通過(guò)顯微鏡進(jìn)行觀察。

　　兩人將新發(fā)現(xiàn)寫(xiě)成論文，發(fā)表在2004年10月出版的《科學(xué)》雜志上，他們?cè)谡撐闹忻枋隽耸┑慕Y(jié)構(gòu)、特征和性能，以及獲得石墨烯的方法。

　　實(shí)際上，在1999年的一篇論文中，美國(guó)物理學(xué)家R. Ruoff的研究小組首次提出并試驗(yàn)了這種方法，但他們未能鑒別出任何單層的碳薄膜。海姆和諾沃肖洛夫之所以成功，則是他們用了一種光學(xué)方法來(lái)鑒別只有幾層結(jié)構(gòu)的碎片，并發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)碎片只有一層碳薄膜；進(jìn)一步，他們將石墨烯制成霍爾棒并裝上電極通電，以研究其電學(xué)性質(zhì)。

　　只有一個(gè)原子厚的石墨烯是人類(lèi)歷史上首次發(fā)現(xiàn)的二維晶體材料，這種新材料有諸多非凡的特性，既可用于基本理論研究，也有無(wú)量的應(yīng)用前景。物理學(xué)家們用它來(lái)研究量子霍爾效應(yīng)、隧道效應(yīng)；工業(yè)界用它開(kāi)發(fā)出可觸摸的屏幕，把它制成超快晶體管。諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的文章說(shuō)，石墨烯的柔性可用于制造超強(qiáng)、超薄、超輕的復(fù)合材料，用于未來(lái)汽車(chē)、飛機(jī)、衛(wèi)星的制造。

　　一種精神

　　“有時(shí)，用手可以做出非常簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)、得出非常簡(jiǎn)單的發(fā)現(xiàn)。”——安德烈·海姆

　　石墨烯打開(kāi)了基礎(chǔ)物理和應(yīng)用物理的一扇大門(mén)。它的故事傳達(dá)出的一個(gè)信息是：實(shí)驗(yàn)物理學(xué)不一定需要復(fù)雜的設(shè)備，可以簡(jiǎn)單地做實(shí)驗(yàn)。

　　美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)局的物理學(xué)家Joseph Stroscio在《紐約時(shí)報(bào)》上說(shuō)，他曾經(jīng)對(duì)石墨烯的未來(lái)持懷疑態(tài)度，但是，“每一年，我都吃驚地看見(jiàn)新實(shí)驗(yàn)顯示出它的潛在應(yīng)用前景，從電子設(shè)備、化學(xué)感應(yīng)器到復(fù)合材料”。他認(rèn)為，諾貝爾獎(jiǎng)授予海姆和諾沃肖洛夫，反映出石墨烯可能帶來(lái)的應(yīng)用和新物理學(xué)實(shí)驗(yàn)。他說(shuō)，石墨烯擁有“一種以前只能在高能物理中看到的特性，這是一個(gè)瘋狂的開(kāi)始”，不再需要一臺(tái)粒子加速器，“你可以在桌面上做相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)”。

　　“做著迷的事，讓事情變得瘋狂。”諾沃肖洛夫在接受諾貝爾基金會(huì)的采訪時(shí)說(shuō)：“這就是星期五夜實(shí)驗(yàn)真正的精神。你接觸不到任何復(fù)雜的儀器或其他東西。你只能赤手空拳地做事，如果有結(jié)果，就有效。石墨烯是其中一個(gè)例子。”

　　海姆認(rèn)為，石墨烯的發(fā)現(xiàn)表明：“你不需要待在哈佛大學(xué)或劍橋大學(xué)，這些擁有最聰明的人和最好設(shè)備的大學(xué)。在設(shè)備第二流或第三流的大學(xué)，你仍然可以做出令人驚訝的工作。我希望這是一個(gè)例子，給年輕科學(xué)家們更多的熱情，讓他們相信，即使不在最好的地方或最好的時(shí)間，你也能做出一些事情。”

　　海姆和諾沃肖洛夫還在石墨烯領(lǐng)域，但這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)涌進(jìn)數(shù)千名科學(xué)家，變得日益擁擠，海姆希望能開(kāi)拓新的角落。

　　加上諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者羅伯特·愛(ài)德華茲，今年3位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的工作都是在英國(guó)做出的，3人均是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員?；始覍W(xué)會(huì)主席馬丁·李表示，這些獎(jiǎng)項(xiàng)強(qiáng)調(diào)了國(guó)家支持基礎(chǔ)研究的重要性，他同時(shí)警告：英國(guó)政府日益緊縮的移民配額將阻止海曼和諾沃肖洛夫博士這樣的人進(jìn)入英國(guó)。