走近2010年诺贝尔物理学奖，本文主要内容关键词为：诺贝尔论文,物理学奖论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
瑞典皇家科学院10月5日宣布，2010年诺贝尔物理学奖将授予英国曼彻斯特大学两位俄裔科学家：安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料开发领域的“突破性研究”。这种最薄、也最坚硬的“超级材料”来自于常见的铅笔芯，让人不由为之惊叹：“琢磨铅笔芯也能得诺贝尔奖！”此项工作的开创之处在哪里？石墨烯具有哪些奇异物性和应用前景？我们又从中获得哪些启示呢？
1.揭开单原子层材料——石墨烯的神秘面纱
碳是最重要的元素之一，它有着独特的性质，是所有地球生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。2010年诺贝尔物理学奖所指向的，是碳的另一张奇妙脸孔：石墨烯。实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1mm的石墨大约包含300万层石墨烯。想象有那么一张单层的网，每一个网格都是一个完美的六边形，每一个绳结都是一个碳原子。这张网只有一个原子那么厚，可以说没有高度、只有长宽，是二维而不是三维的。这就是石墨烯，它是二维的碳，人类已知的最薄材料，一种正为物理学和材料学带来许多新发现的东西。由于这种材料是从石墨中制取的，而且包含烯类物质的基本特征——碳原子之间的双键，所以称为石墨烯。石墨烯可看成是所有石墨材料的母体。
科学家在20世纪40年代就对类似石墨烯的结构进行过理论研究，但在此后很长时间里，制取单层石墨烯的努力一直没有成功，有人认为这样的二维材料是不可能在常温下稳定存在的。2004年10月，发表在美国《科学》杂志上的一篇论文推翻了这种认知。在英国曼彻斯特大学工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用普通胶带完成了他们的“魔术”。他们利用透明胶带，将一张纸上的铅笔笔迹进行反复粘贴与撕开，这使得石墨片的厚度逐渐减小，最终他们通过显微镜在大量的薄片中寻找到了厚度只有0.34nm的石墨烯。
石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，这种二维石墨晶体薄膜的厚度只有一个碳原子厚，具有许多奇异的物理特性。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高出百倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。如果用一块面积1
的石墨烯做成吊床，可以承受一只猫的重量，而吊床本身重量不足1毫克，只相当于猫的一根胡须。石墨烯的导电性比铜更好，导热性远超一切其他材料。它几乎是完全透明的，只吸收23%的光。另一方面，它非常致密，即使是氦原子——最小的气体原子也无法穿透。
石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验证，例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。同时，石墨烯具有极其广泛的应用前景。科学家认为，利用石墨烯制造晶体管，有可能最终替代现有的硅材料，成为未来的超高速计算机的基础。晶体管的尺寸越小，其性能越好。硅材料在10nm的尺度上已开始不稳定，而石墨烯可以将晶体管尺寸极限向下拓展到1个分子大小。鉴于石墨烯在裁剪到纳米尺度时，性能十分稳定，导电能力、导热能力、散热能力都很强，HP、Intel、IBM等厂商都对其产生了浓厚兴趣，以期在不远的将来人们用石墨烯代替硅，来制造新一代微电子器件，从而更好地满足人们对提高计算机性能的需求。石墨烯还可用于制造透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30℃。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。由于具备完美结构，石墨烯还能用来制造超灵敏的感应器，即使是最轻微的污染也能察觉。这个从铅笔芯中得来的发现，被看作最有可能改写未来世界电子产业的因素。
2.带给我们的启示
(1)用最简单的方法解决问题
物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫以铅笔芯的主要成分——石墨为实验对象，在一张涂满铅笔笔迹的纸上，用透明胶带粘来粘去。他们强行将性状类似铅笔芯的石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后利用普通透明胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，在不断重复这一过程中得到越来越薄的石墨薄片，最终他们通过显微镜在大量的薄片中寻找到了厚度只有0.34nm的石墨烯，而20万片石墨烯加在一起，才相当于一根头发丝。该实验一个关键性设备就是——透明胶带。牛津大学物理学教授保罗·拉达埃利对这两人采用的如此简单研究方法感到惊讶：“在这个复杂的年代，有许多像超对撞机一样的设备，但他们居然成功地用透明胶带赢得了诺贝尔奖。”
当今社会科技高度发达，计算和实验手段、设备等愈来愈精密，人们的思维方法是凡事总爱往复杂的地方想，认为如果仪器再精确一些，计算软件再高级一些，一定会得到更好的数据和结果。事实上，学会把问题简单化，才是一种大智慧。爱迪生就是一位很会把复杂问题简单化的科学家。有一次，爱迪生让助手测量一个梨形灯泡的容积。助手接过灯泡后，立即开始了工作：一会儿拿标尺测量，一会儿运用复杂的公式计算……眼看几个小时都过去了，还是没有计算出结果来。就在助手又搬出大学里学过的几何知识，准备再一次计算灯泡的容积时，爱迪生进来了，只见他拿起灯泡朝里面倒满了水，递给助手说：“去吧，把灯泡里的水倒入量杯……”助手经导师一点拨，恍然大悟，很快就得出了答案。我们在研究问题时，不妨改变一下思路，将问题简单化，从而把握问题的本质。
(2)寓科研于娱乐之中
今年到来的这座奖杯，其实并不是安德烈·海姆的第一个“诺贝尔奖”。2000年，安德烈·海姆及其同伴迈克尔·贝利爵士因利用磁性克服重力的原理，使一只青蛙悬浮在半空中，展示了“强磁场中悬浮起来的青蛙”获得“搞笑诺贝尔奖”。引人发笑的搞笑诺贝尔奖被安德烈·海姆视为对科学研究的一种鼓励，“将物理学变得更加通俗易懂，更加贴近非物理学家是我们的责任，而这个奖有助于我们做到这一点。”在随后的研究中，安德烈·海姆发现蜥蜴的四肢具有自清洁、反复粘贴的特点，并由此发明了吸力极大的人工蜥蜴脚，利用这个新发明制造成很小一片人工蜥蜴脚，成功垂直吊起了15cm高的蜘蛛侠玩偶。2004年，同样是在近乎游戏的研究过程中，石墨烯在经过无数次的透明胶带粘过后被成功剥离出来，正是这个看似漫无目的的游戏诞生了不朽的神奇。或许只有这样寓科研于娱乐的人，才能开辟出不同寻常的石墨烯发现之旅。把研究工作视为“游戏”，并在此过程中学习，是海姆及其团队拥有的特别之处。“还有大量令人惊奇的现象等待发现”，海姆说，“从一个研究课题跳到另一个课题会面临很多困难，但值得这样做。比起一辈子研究同一领域，寻找一些意想不到的东西更有意思”。正如伦敦国王大学材料科学研究部门的负责人马克·米多尼克所说：“也就是说，任何人都可能从铅笔芯中发现这种新型材料，但只有海姆和诺沃肖洛夫仔细研究了它。”因此，科学研究不再只是针对传统意义上的抽象、高深的事物，而可以是自己感兴趣的、拥有奇特有趣的性质的研究对象。保持对大自然的强大好奇心，是出人意料的科学发现的前提，是科学研究的源动力。
(3)持之以恒的坚持
两年前安德烈·海姆在接受“Science Watch”采访时叙述了发现石墨烯的有趣故事：海姆说起初他把研磨石墨碎片的工作交给了他的一位博士生，请这位博士生制成薄膜，要求尽可能地薄。三周后博士生将样品交给他。他用显微镜观察，估计这些石墨碎片仍然有10微米厚，大概1000层左右。于是他希望博士生能再研磨得薄一点。结果博士生拒绝继续做这项工作，于是海姆决定自己来试，他先在胶带上粘一小块石墨、折叠，然后再撕开胶带，薄片也随之一分为二。屡次重复这一过程，即可将石墨减薄，最终得到了石墨烯。也许那位博士生会后悔，会遗憾，觉得诺贝尔奖与自己失之交臂。这表面上是偶然的，而实质上也是必然的。从1564年铅笔诞生出现的多层石墨烯到如今单层石墨烯的广泛应用，从1999年运用AFM方法获取石墨，到今天的透明胶带法获取石墨烯，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫“克服了观念困难和制作困难”，抱着打破热扰动破坏二维晶体材料稳定性的传统认知的观念，有效利用每周五晚上学校空闲下来的公用实验室资源和安静的研究环境，持之以恒用透明胶带粘出来了一个伟大发现。科学研究必须有恒心有毅力，需要持之以恒的精神。