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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611304]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦
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绘画：张京
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 石墨烯——从象牙塔到未来世界[1]
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2010年10月5日，瑞典皇家科学院（The Royal Swedish Academy of Sciences）宣布了2010年诺贝尔物理学奖的得主。荷兰籍俄裔物理学家盖姆（Andre Geim）和拥有俄罗斯及英国双重国籍的物理学家诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）由于“对二维材料石墨烯的突破性实验”（for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene）而共同荣获了这一奖项。
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在本文中，我们将对这两位物理学家的获奖成果及其意义作一个简单介绍。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 一、来自象牙塔的新材料
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我们先来说明一下什么是石墨烯。这个名称中的“石墨”（graphite）二字我们大都不陌生，因为铅笔的笔芯就是由它和黏土混合而成的。从元素的角度讲，石墨是由碳元素组成的。在电子显微镜下，我们可以发现石墨的结构是层状的，每一层的碳原子都排列成紧密的蜂窝状六边形网格，层与层之间的距离则比较大，形成松散的堆砌[2]（图11）。铅笔之所以在纸上轻轻一划就会留下痕迹，正是这种松散堆砌的结果。那么石墨烯（graphene）又是什么呢？它就是单层的石墨。
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图11 电子显微镜下的石墨烯结构
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石墨烯这个名称是从1987年开始使用的，但在那之前，就已经有人对这种单层原子组成的二维结构产生了兴趣，因为这种结构比现实世界里的三维结构来得简单，很适合当作例题收录在教科书里[3]。通过这种象牙塔式的兴趣，人们开始对石墨烯的性质有了一些理论上的了解。这种了解，加上技术领域对新材料的需求日益旺盛，使人们对石墨烯产生了更现实的兴趣，试图将它由单纯的象牙塔物质“提拔”为真实材料。
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初看起来，这种“提拔”似乎不会太困难。事实上，当我们用铅笔在纸上轻轻划过时，划痕中就可能会出现单层的石墨——即石墨烯。但问题是，铅笔的划痕从微观角度讲实在是太大了，在那里搜寻石墨烯简直就像是在整个喜马拉雅山脉中搜寻一片薄冰，即便找到也只能算是瞎猫碰上了死耗子。而科学家们需要的是系统的方法，是可以复制的成功，这却是相当困难的。直到21世纪初，人们所达到的最好业绩——即最薄的石墨片——也只能薄到几十层原子的水平。
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更糟糕的是，有迹象表明，像石墨烯那样的二维材料有可能是注定只能存在于象牙塔里的。因为早在20世纪30年代，著名俄国物理学家朗道（Lev Landau）等人就已证明，二维材料的热运动涨落会破坏自身的结构。实验上制备石墨烯的种种失败尝试似乎也在佐证着这一结论，比如石墨层越薄，就越容易卷曲成球状或柱状，而无法维持平面结构[4]。因此，制备石墨烯曾被很多人认为是注定无法成功的。
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但以盖姆为核心的实验组却不信这个邪，决意尝试这一看似不可能的任务。这种尝试对他们来说，乃是一贯作风的延续。因为在盖姆的实验组里，对各种有趣、甚至有趣得近乎荒谬的事情的尝试已经达到了制度化的程度，他们每星期都几乎固定地拿出十分之一的时间来做一种所谓的“星期五之夜实验”（Friday evening experiment），专门尝试各种稀奇古怪的事情[5]。制备石墨烯的工作也是从一个“星期五之夜实验”开始的。经过一些失败的尝试后，他们采用了所谓的“透明胶大法”（Scotch tape technique），即用透明胶粘住石墨层的两个面，然后撕开，使之分为两片。通过不断重复这一“大法”，并辅以其他手段，他们最终制备出了石墨烯[6]。
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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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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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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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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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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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