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俄裔英國物理學(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（圖片來源：諾貝爾獎基金會網(wǎng)站）

　　科學(xué)家們用詩一般的語言來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法穿過！嗯，它會有無限的應(yīng)用前景。

　　2004年一個星期五的夜晚，在英國曼徹斯特大學(xué)的一間物理實驗室，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，直到它們越來越薄；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)，每一個網(wǎng)絡(luò)都是一個完美的六邊形，每個網(wǎng)格節(jié)點都是一個碳原子；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)！

　　他們將之稱為單層石墨片或石墨烯，因為節(jié)點上的碳原子都是通過碳—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，表彰他們在二維材料石墨烯方面“突破性的實驗”。

　　兩個人的故事

　　“當(dāng)你們認(rèn)為我們是在做物理時，實際上我們不是，我們在做科學(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)，并在莫斯科開始其物理學(xué)研究。他們從荷蘭開始合作，至今長達12年。

　　安德烈·海姆今年51歲，荷蘭國籍，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，擁有英國和俄羅斯雙重國籍，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)教授和英國皇家學(xué)會研究會員。

　　在研究界，海姆像一個漫游者，從俄羅斯漫游到荷蘭，再到英國。他說：“對我而言，年復(fù)一年地做同樣的事非常無趣，因此，無論我們在做任何特定研究，我總是同時尋找還可能做的事。”

　　在荷蘭時，海姆邀請諾沃肖洛夫來奈梅亨大學(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始。

　　“你看他是多么的好！”海姆在接受諾貝爾獎基金會網(wǎng)站采訪時說，“所以，當(dāng)我離開荷蘭時所做的第一件事就是邀請他作為博士后到英國來，盡管他當(dāng)時還沒有獲得博士學(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，我們沒有爭執(zhí)，將來永遠(yuǎn)也不會有爭執(zhí)，他是少數(shù)幾位我真正高興與之共享工作時間的人。”

　　諾沃肖洛夫表示：“安德烈是一位神奇的物理學(xué)家，坦誠地說，我從他身上學(xué)到很多東西，我對物理學(xué)的所有知識基本上都是從他那里學(xué)來的……當(dāng)你們認(rèn)為我們是在做物理時，實際上我們不是，我們在做科學(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，我們試圖對每件事都保持興趣，而且最重要的是要有趣。所以，安德烈引入了星期五夜實驗的慣例。在那里，我們會做令人著迷、發(fā)狂的事，有時候會有結(jié)果，有時候沒有。石墨烯就是其中一個結(jié)果。”

　星期五晚上的實驗

　　那個晚上的發(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)在理論上研究過石墨烯，預(yù)言因其結(jié)構(gòu)帶來的特殊電子學(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個六邊形網(wǎng)格聯(lián)接而成的網(wǎng)，但他們認(rèn)為，無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，會彎曲成管狀或其他形狀。

　　一個基本的事實是，盡管碳薄片非常之薄，300萬張?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，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，沒有人在實驗上成功剝離出穩(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。他們最初希望通過打磨石墨晶體來獲得這種薄片，但沒有成功。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。在一個星期五晚上的實驗，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，薄膜越變越薄，直到只有一層。他們將這些石墨薄膜放在氧化硅基底上，通過顯微鏡進行觀察。

　　兩人將新發(fā)現(xiàn)寫成論文，發(fā)表在2004年10月出版的《科學(xué)》雜志上，他們在論文中描述了石墨烯的結(jié)構(gòu)、特征和性能，以及獲得石墨烯的方法。

　　實際上，在1999年的一篇論文中，美國物理學(xué)家R. Ruoff的研究小組首次提出并試驗了這種方法，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)方法來鑒別只有幾層結(jié)構(gòu)的碎片，并發(fā)現(xiàn)其中一個碎片只有一層碳薄膜；進一步，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)。

　　只有一個原子厚的石墨烯是人類歷史上首次發(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，也有無量的應(yīng)用前景。物理學(xué)家們用它來研究量子霍爾效應(yīng)、隧道效應(yīng)；工業(yè)界用它開發(fā)出可觸摸的屏幕，把它制成超快晶體管。諾貝爾獎委員會的文章說，石墨烯的柔性可用于制造超強、超薄、超輕的復(fù)合材料，用于未來汽車、飛機、衛(wèi)星的制造。

　　一種精神

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

　　石墨烯打開了基礎(chǔ)物理和應(yīng)用物理的一扇大門。它的故事傳達出的一個信息是：實驗物理學(xué)不一定需要復(fù)雜的設(shè)備，可以簡單地做實驗。

　　美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)局的物理學(xué)家Joseph Stroscio在《紐約時報》上說，他曾經(jīng)對石墨烯的未來持懷疑態(tài)度，但是，“每一年，我都吃驚地看見新實驗顯示出它的潛在應(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，諾貝爾獎授予海姆和諾沃肖洛夫，反映出石墨烯可能帶來的應(yīng)用和新物理學(xué)實驗。他說，石墨烯擁有“一種以前只能在高能物理中看到的特性，這是一個瘋狂的開始”，不再需要一臺粒子加速器，“你可以在桌面上做相對論的實驗”。

　　“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的采訪時說：“這就是星期五夜實驗真正的精神。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，但這個領(lǐng)域已經(jīng)涌進數(shù)千名科學(xué)家，變得日益擁擠，海姆希望能開拓新的角落。

　　加上諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者羅伯特·愛德華茲，今年3位諾貝爾獎獲得者的工作都是在英國做出的，3人均是英國皇家學(xué)會會員?；始覍W(xué)會主席馬丁·李表示，這些獎項強調(diào)了國家支持基礎(chǔ)研究的重要性，他同時警告：英國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入英國。