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1707613224 盖姆和诺沃肖洛夫获奖后,许多媒体推出了渲染性的标题,比如《物理学家用透明胶和铅笔赢得诺贝尔奖》。这种标题容易给人一个错觉,以为那是一项轻而易举的工作。事实上,盖姆实验组制备石墨烯的过程并不轻松,前后持续了一年多的时间,制备出的石墨烯则只有几平方微米,要用高倍显微镜才能观测。而且由于石墨烯是高度透明的,在观测及制备过程中还有一个如何分辨的问题。盖姆实验组解决这一问题的方法,是巧妙地利用了石墨烯在厚度300纳米的二氧化硅晶片衬底上产生的光线干涉效应。这一点是他们胜过其他研究组的关键所在。但即便如此,他们当时选用的衬底如果不是二氧化硅而是其他晶片,或者晶片的厚度不是300纳米,而是略大或略小,就都有可能无法分辨石墨烯。而他们当时之所以选用了恰到好处的衬底,据诺沃肖洛夫回忆乃是纯属偶然。因此,盖姆实验组的成功背后既有长时间的努力和巧妙的构思,也有运气的成分[7]。当然,既然想到了正确的方法,发现合适的衬底应该是迟早的事情,从这点上讲,他们的成就并非偶然。
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1707613226 那么,这种辛辛苦苦制备出来的二维材料在我们这个三维世界里究竟有什么用处呢?在现实的用处出现之前,它在理论上的用处就已经吸引了科学家们的兴趣。物理学家们早在1956年就发现,托二维世界的福,石墨烯中的电子运动具有很奇特的性质,即电子的质量仿佛是不存在的[8]。这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究所谓相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动,从而必须用相对论量子力学来描述。而更奇妙的是,那种相对论量子力学中的“光速”并不是真空中的光速,而只有后者的1/300。很多科学爱好者也许读过俄国物理学家伽莫夫(GeorgeGamow)所写的科普作品《物理世界奇遇记》(Mr. Tompkins in Paperback),在那部作品中伽莫夫设想过一个光速很缓慢的世界。从某种意义上讲,石墨烯就是那样一个世界,它所具有的奇妙性质为理论物理学家们提供了一片研究相对论量子力学的新天地,使他们不仅可以把一些原先要用巨型加速器来研究的问题搬到自己的小型实验室里,而且还可以研究一些用巨型加速器都未曾有机会透彻研究的东西,比如所谓的克莱因佯谬(Klein’s paradox)或相对论量子力学特有的所谓“颤振”(zitterbewegung)效应,甚至还可以研究弯曲空间里的相对论量子力学——因为在石墨烯这个舞台上,弯曲空间不过就是弯曲的石墨烯而已。这些理论研究不仅题材新颖,而且还特别便于观测,因为石墨烯是二维的,所有现象都出现在表面上,不会像三维材料中的现象那样有可能跑到物质内部去。
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1707613228 除了成为研究相对论量子力学的新天地外,石墨烯还具有所谓的量子霍耳效应(quantum Hall effect),这种本身就是诺贝尔奖量级的重要效应以往是要在极低温下才能显现的,石墨烯却能将它带到室温下。诺沃肖洛夫在接受媒体采访时曾经表示,要让物理学家们改变自己的研究方向,必须用比他们所研究的有趣十倍的东西来引诱。石墨烯对很多理论物理学家来说看来就具有那样的魅力,因而吸引了众多的追随者。
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1707613233 因为星星在那里:科学殿堂的砖与瓦 [:1707611306]
1707613234 因为星星在那里:科学殿堂的砖与瓦 二、通往未来世界的金桥
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1707613236 但石墨烯最吸引人的地方还在于它在现实世界里的可能应用。由于石墨烯的结构极为紧密和严整,哪怕在室温下都几乎没有任何缺陷,最大限度地发挥了众原子“集体的力量”,这使它不仅有比同等线度的钢铁还高两个数量级的强度,而且还有普通刚性材料难以企及的韧性,可以拉伸20%而不断裂。显示这种性质的流传最广的图片,是一幅猫躺在石墨烯制成的吊床上休息的想象图。这种由单层原子制成的吊床居然可以承受宏观物体的重量,无疑是令人惊叹的。那幅图片不够确切的地方,是没能显示出石墨烯的超薄特性。由于石墨烯的透光率高达97.7%[9],厚度却只有单层原子,因此如果真有那样的吊床,它不仅对于肉眼,甚至对于很多仪器都会是不可见的,我们看到的将是一只悬停在半空中的猫,就像《爱丽丝漫游奇境记》(Alice’s Adventure in Wonderland)里那只柴郡猫(Cheshire cat)的笑容一样。
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1707613238 石墨烯如果只用来制作吊床,那显然是大材小用了。它更重要的可能应用是制成超薄、超轻、超强的材料,用于飞机、火箭、防弹衣等对材料性质要求极高的产品中。而它最能扣动人们想象之弦的可能应用,则是所谓的太空电梯。这种早在1895年就由火箭理论的先驱者、俄国科学家齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)提出过的迷人设想,一直面临着一个致命问题,那就是找不到具有足够强度的材料来支撑线度达几万千米的巨型结构。石墨烯的出现使很多人重新燃起了希望。
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1707613240 除上述可能应用外,石墨烯的另一类可能应用则倚仗于它的电子运动性质。如我们在前面所述,石墨烯中的电子运动具有很奇特的性质,比如电子的质量仿佛是不存在的,而运动速度是所谓的“光速”。这些特性,加上石墨烯结构在常温下的高度完美性,使得电子的传输及对外场的反应都超级迅速,几乎达到了人们梦寐以求的境界。体现到物理性质上,这使得石墨烯具有超常的导电性和导热性。这种性能既体现在纯净的石墨烯中,也可以部分地体现在含有石墨烯的复合材料中。而且更重要的是,石墨烯还可以用来制作晶体管,由于石墨烯结构的高度稳定性,这种晶体管在接近单个原子的线度上依然能稳定地工作。相比之下,目前勇挑大梁的以硅为材料的晶体管在10纳米(相当于几十层原子)左右的尺度上就会失去稳定性;而石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点,又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。事实上,IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了1000亿赫兹,超过了同等线度的硅晶体管[10]。很多人相信,石墨烯将会成为硅的接班人,引领技术领域一个新的微缩时代的来临。
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1707613242 石墨烯的可能应用还有很多,比如它除了具有超高的强度和韧性外,还有不透水、不透气,以及抵御强酸、强碱的能力,这使它有可能成为制作保护膜的理想材料。而石墨烯既能导电又高度透明的特点,则使它有可能在制作液晶显示屏、触摸显示屏、太阳能电池板等领域大显身手。此外,用石墨烯制作的能快速充电的电池、容量超高的电容、能检测单个污染物分子的污染探测器、能用于量子计算机的特殊元件等,也都在构想或研制之中。
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1707613244 石墨烯从制备到获奖只用了短短六年的时间,与动辄要回溯几十年去“考古”的前几年的获奖成果相比,是非常快的。但在这六年里,由它开启的研究领域呈现了井喷的势头,几乎每个月都有新兴的研究方向被开辟出来。也许在不太遥远的将来,我们会开着由石墨烯电池驱动的车子去上班,在由石墨烯太阳能板提供能源的办公室里,用“内含石墨烯”(Graphene Inside——取代Intel Inside)的计算机从事工作。在假日里——如果有闲钱的话——我们也许还可以乘坐用石墨烯材料建造的太空电梯去地球同步轨道欣赏地月同辉的奇景。这一切奇思妙想都得益于六年前的那项工作。在有关未来世界的构想中,很少有一种材料能像石墨烯那样大范围、跨领域地激发人们的想象力,并使人们因为看到实实在在的希望而有可能投入实实在在的努力。从这个意义上讲,它仿佛一座通往未来世界的金桥。
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1707613246 附录:获奖者小档案
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1707613260 盖姆(Andre Geim):荷兰籍俄裔物理学家,1958年10月1日出生于俄国城市索契(Sochi),1987年获俄国科学院固体物理研究所博士学位。自1990年起,盖姆先后在英国诺丁汉大学(University of Nottingham)、丹麦哥本哈根大学(University of Copenhagen)、英国巴斯大学(University of Bath)、荷兰内梅亨大学(Radboud University Nijmegen)等地工作过。2001年,盖姆成为英国曼彻斯特大学(University of Manchester)物理学教授,并于2002年起担任曼彻斯特介观科学及纳米技术中心(Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology)主任。 诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov):拥有俄罗斯及英国双重国籍的物理学家,1974年8月23日出生于俄国城市尼茨塔吉尔(NizhnyTagil),2004年获荷兰内梅亨大学博士学位。诺沃肖洛夫是盖姆的学生及长期合作者,自2001年起,与盖姆一起在英国曼彻斯特大学工作。诺沃肖洛夫是自1973年以来最年轻的诺贝尔物理学奖得主。 2010年10月11日写于纽约
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1707613262 [1]本文曾发表于《科学画报》2010年第11期(上海科学技术出版社出版)。
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1707613264 [2]石墨每一层上的碳原子间距约为0.142纳米,层与层的间距则为0.335纳米,后者是依靠微弱的范德瓦耳斯力(van der Vaals force)结合起来的,因而是松散的堆砌。
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1707613266 [3]当然,这里所谓的“二维”不是几何上的二维,而仅仅是指垂直方向上的物理自由度可以忽略的情形。
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1707613268 [4]不过那种球状或柱状的结构对于石墨烯的制备来说虽是“麻烦制造者”,本身却都是绝顶的好东西:前者是所谓的富勒烯(fullerene),它的发现者获得了1996年的诺贝尔化学奖;后者则是大名鼎鼎的纳米管(nanotube),也是一种令人着迷的新材料。
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1707613270 [5]盖姆曾经因为在这种“星期五之夜实验”中进行过“磁悬浮青蛙”实验,而获得了2000年的搞笑诺贝尔物理学奖(Ig Nobel Prize in Physics)。他是迄今唯一一位同时获得过搞笑诺贝尔奖和诺贝尔奖的人。
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1707613272 [6]有读者可能会问:既然朗道曾经证明过二维材料的涨落会破坏物质结构,怎么还可能制备出石墨烯呢?答案是,朗道的证明是针对大面积(理论上是无穷大)的体系的,而人们最初制备的石墨烯只有几平方微米。另一方面,朗道的证明考虑的是严格的平面,而真实的石墨烯会在三维空间里波动,从而耗散掉一部分涨落能量。因此石墨烯的出现虽然出人意料,却不是不可理解的。
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