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1、2010年度诺贝尔物理学奖: 有关二维石墨烯材料的开创性实验? 2010年 10月 5日, 瑞典皇家科学院宣布, 2010年诺贝尔物理学奖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 ! 有关二维石墨烯材料的开创性实验 . 封面是海姆和诺沃肖洛夫在曼彻斯特大学校园内的合影.海姆 1958年生于俄罗斯索契, 现年 51岁, 拥有荷兰国籍; 而诺沃肖洛夫年仅 36岁, 拥有英国和俄罗斯双重国籍, 是 1973年以来最年轻的诺贝尔奖获得者. 两人都在俄罗斯出生和长大, 均毕业于莫斯科理工大学, 并且是师生关系.相信我刊读者对二维材料石墨烯都不会感到陌生
2、, 二三年来 #物理通报 刊发了多篇关于石墨烯研究最新进展的报道, 在颁奖前夕的 2010年第 10期还发表了有关报道. 在瑞典皇家学院向大众介绍石墨烯的材料中说: ! 这是世界上最薄的, 最坚固的材料. 作为导体, 它的导电性能像铜那样好; 作为导热材料, 它胜过目前已知的所有其他材料. 它几乎完全透明, 但又封闭性极好, 那怕是最小的氢原子也不可以从中穿过 %这张近乎完美的网只有一层原子那么厚, 它是由碳原子构成的, 形同做小鸡笼子的六角丝网. 12004年 10月海姆和诺沃肖洛夫在 #Science发表第一篇关于石墨烯的论文, 这篇文章迅速在全球引起强烈的反响. 关于它的研究工作从基础理
3、论和应用两个层面上爆发性地展开, 并越来越热. 近期#纳米科技上发表的论文有近1 4是有关石墨烯的.石墨烯由石墨制得, 但这个过程并不容易. 人们平常所用的铅笔中就含有石墨, 石墨是种并不引人注目的寻常材料, 人们也早就知道石墨有片层结构,但在海 - 诺之前并没有人得到过石墨烯. 1mm厚的石墨片是由 3 000 000层石墨烯堆叠在一起, 在把它分成 3 000 000片之前它就是石墨片而不是石墨烯.只有把石墨片一层层分开, 不断分开直到分无可分时, 石墨烯才展露出它神奇的面貌.1?神奇的透明胶? ?2008年 8月, 海姆在接受科学观察网站 (www. sciencewatch. com
4、) 专访时, 讲述了他们当初如何制 造石墨烯的故事 2.当时, 海姆买了一大块高定向热解石墨, 这是一种纯度非常高、 通常用于分析的石墨材料. 海姆把它 交给了他新来的一位中国博士生, 并给了他一台非 常高级的抛光机, 希望他能制作出尽可能薄的薄膜. 三个星期过后, 这位博士生拿着一个培养皿告诉海姆说做好了. 海姆用显微镜观察培养皿底部的石墨 斑, 发现那足有 10 ? m 厚, 相当于 1 000层石墨烯的 厚度. 海姆于是问他, 能不能磨得再薄一些?他告诉 海姆, 那还再需要一块石墨. 要知道这种石墨每块大 约要花 300美元. 海姆承认自己当时的态度可能不太好, 于是, 那位中国博士生对
5、他说: ! 既然你这么 聪明, 那你就自己试试吧. 海姆和诺沃肖洛夫去做了, 他们采用了一种非 常!简单的方法. 因为石墨具有完整的层状解理特性, 可以按层剥离. 于是, 他们用透明胶带在石墨上 粘一下, 这样就会有石墨层被粘在胶带上. 再用一条 新胶带, 粘一下再拉开, 这样, 两段胶带都粘有石墨 层, 石墨层又变薄了. 如此反复多次, 胶带上的石墨 层薄到只有一个碳原子的厚度时, 石墨层也就变成了石墨烯. 大家可以算一下, 假设是前文提到的 1mm厚的 石墨片, 每次都是均匀地分开成两层, 那么大约要用 透明胶粘多少次之后能得到石墨烯呢?海姆对此有一句话 ! 在手边往往就有一些很简 单的但
6、很管用的实验和发现 .2?磁悬浮青蛙和周五狂热兴趣实验? ?说起来海姆还得过一个! 诺贝尔奖 , 那是 2000年 10月 5日晚, 第十届搞笑诺贝尔奖颁奖仪式在哈 佛大学桑德斯礼堂举行. 来自英国布里斯托大学的 迈克尔 贝里和荷兰内梅亨大学的安德烈 海姆, 因! 磁悬浮青蛙 的研究而共同获得搞笑诺贝尔物理学奖.?2?2010年第 11期 ? ? ? ? ? ? ? ? ?物理通报 ? ? ? ? ? ? ? ?科学前沿由科学幽默杂志 #不可思议的研究纪事 主办 的搞笑诺贝尔奖, 从 1991年开始, 每年 10月上旬也 就是在诺贝尔奖颁布之前颁布. 由诺贝尔奖获得者 参加的搞笑诺贝尔奖评选委
7、员会, 将按照 !乍看很搞笑, 之后却令人深思 的评奖原则, 评选出涵盖了 诺贝尔奖的 10个奖项的获奖人. 海姆在接受诺贝尔基金会网站电话采访时提到 了此事. 海姆是一个思维活跃的人, 他说有些研究人 员从读博士学位起被导师领入一个领域, 从此一生 都从事相近的研究, 但他不是. 不同性格的人有不同 的做事风格, 海姆说他从来不会很长时间都一直从事单一的研究内容, 他总在进行一个项目的同时考 虑在这个领域还有没有其他的相关的事情, 利用现 有的研究设备还可以搞点什么. 虽然这样的尝试一 百次中有九十九次都会失败, 但他一直坚持 !周五 晚间实验搞一些纯兴趣的东西. ! 飞行青蛙 就是 其中之
8、一, 还有一个是模拟壁虎爪子搞的爬墙装置. 很幸运, 石墨烯也是其中之一, 一百次 ! 手边实验 中成功的那一次. 诺沃肖洛夫在接受同样的采访时, 正巧在进行 一个实验. 他对记者说: ! 海姆是个神奇的物理学 家, 我得说我从他那里学到了很多 %记者让他 描述一下他的实验室, 他说那就是个狂热之地. !人 们认为我们在做物理, 实际上我们没有, 我们在做科 学, 这句话的意思是, 我们的研究兴趣要远远比那些 特定的物理学领域或者物理学本身宽泛得多, 海姆称之为周五晚间实验, 实际上就是我们在那里做一 些疯狂的事情, 石墨烯就是其中之一. 据诺沃肖洛 夫的说法, 用透明胶带分离石墨烯就是想看看
9、到底 石墨能分离到什么程度, 纯粹的周五晚间狂热实验. 然而在分离成功后, 顺手拈来进行的一系列测试, 让 他们非常吃惊地发现石墨烯是一种不同于以前任何 材料的 !奇迹材料 .记者问诺沃肖洛夫, 海姆有个 ! 臭名昭著的恶 习 就是频繁变换研究领域, 为何在石墨烯这个领 域一进去就是 6年. 对此诺沃肖洛夫说他们!非常不 幸 地因为兴趣所至陷了进去.3?阿拉斯加淘金者 ? 海姆? 海姆对他在发现石墨烯之后的 5年里的工作有一个描述!我就像杰克 伦敦笔下的阿拉斯加淘金 者, 在一大片旷野里用小棍插出自已的地盘, 然后闷 头挖金子. 他之所以能在石墨烯领域一去五六年 就是因为石墨烯的应用实在是太广
10、泛了. 作为一名!淘金者现在他涉及的领域主要有石墨烯液晶显 示、 超敏感化学传感器和石墨烯晶体管. 当石墨烯的 研究迅速升温后, 海姆拥有了数量众多的竞争者, 不 过他说在最初的 3年还是很轻松地在很多的地盘上插上了写着海姆名字的小棍. 虽然目前在这个领域 有成千上万的研究者在努力淘金, 但他目前还没有 从这个拥挤的研究领域中转移出去的打算. 例如在 超敏感化学传感器领域, 从物理到化学的知识跨度 绝不小于从飞行青蛙到石墨烯, 因此他对在这一领 域内的研究还远远没到失去新鲜感的地步.4?梦想中的世界? ?关于石墨烯可能的应用研究人员们给予了极 高的关注, 真的都像是一群淘金者那样试图在旷野 中
11、圈出一块金矿, 虽然大部分的尝试对我们来说就 像是科幻, 但很多项目已经在付诸实践, 就像海姆和 诺沃肖洛夫正在做的那些研究. 石墨烯的导电能力被寄予了厚望, 良好的电和热的传导能力, 超强的强度, 人们期待在将来制造出 高效、 轻质、 高强度的石墨烯电缆, 其结果将是革命 性的, 输电线将由铜线时代进入碳线时代. 石墨烯晶体管被认为最有希望超越和取代硅晶 体管而成为未来计算机的核心, 高速、 低能耗、 体积 进一步小型化的碳基集成电路将使未来的计算机有 远超现在计算机的强大运算能力, 计算机将由硅时 代进入碳时代.石墨烯超高的强度, 可以制造出更坚固的复合 材料, 用之取代铝材, 飞机可以变
12、得更轻, 飞得更远, 更加安全. 取代钢材制造汽车, 建筑楼房 % 制造人造卫星 % 制造纸一样薄的移动电话 % 制造太阳能电池 % 石墨烯的发现打开了通往新世界的大门, 但谁也无法预言石墨烯的未来究竟会如何, 包括海姆和 诺沃肖洛夫, 当记者问及海姆石墨烯研究的未来时, 他开玩笑地说他只能预言已经发生的事情. 但无论 如何 !机会仅会眷顾那些有准备的大脑 . 参考文献 1?TheRoyalSwedishA cademy of Sciences . theN obelPrize inPhysicsfor2010,InformationforthePublic.N obelprizeweb 2?马文方. 石墨烯: 透明胶带成就的诺贝尔奖. 中国计算机报, 2010- 10- 25( 40)吴江滨 ?编译 ?3?2010年第 11期 ? ? ? ? ? ? ? ? ?物理通报 ? ? ? ? ? ? ? ?科学前沿
