http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2010-10-16
安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫
今年的诺贝尔物理学奖可能最具娱乐性：一对师徒用透明胶带在制作铅笔芯的石墨中发现了一种二维平面材料，他们中的一位还曾获得过“搞笑诺贝尔奖”
本刊记者/钱炜
10月5日，瑞典皇家科学院宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的两位科学家——现年52岁的安德烈·海姆和36岁的康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。
研究：“search”而非“research”
石墨烯是怎么被发现的？对此，海姆2008年在接受《科学观察》采访时解释说，除了拥有设备和相关方面的知识，一个重要原因是自己有一种“科研恶习”。他说，“那段时间里，我关注研究碳纳米管的那拨人，对他们时不时地声称获得这样或那样牛的成果觉得恶心。我想，我可以做一点不同于碳纳米管的东西，为什么不把碳纳米管剖开呢？于是，就有了后来的研究。”
起初，海姆请实验室新来的一名中国博士生将一块高定向裂解石墨制成薄膜，要求尽可能薄，并给了他一台精巧的抛光机。三周后，这名博士生拿着培养皿来见海姆，说他成功了。海姆用显微镜一看，那些石墨碎片估计仍有1000层左右。海姆希望他能将石墨碎片研磨得更薄一些，但这名博士生最后说：“如果你这么聪明，就自己试试。”于是这成了一个转折点，海姆决定自己来试试，他就用透明胶带来做这件事。
如今，海姆所用的方法，被业界戏称为“透明胶带技术”。由于层间的作用力非常弱，石墨很容易剥落脱离。将石墨放在透明胶带上，反复撕拉 10～20下左右，就获得了10层左右的石墨——这正是海姆当初的实验，他们并没有直接获得石墨烯，但10层左右的石墨就已表现出了足够特殊的物理性能。
海姆曾用磁性克服重力，让一只青蛙漂浮在半空中，因此获得了2000年的“搞笑诺贝尔奖”。诺贝尔基金会也形容这对师徒“把科学研究当成快乐的游戏”。海姆则说，他的研究风格，是对“search”更感兴趣而非“research”。
另一位获奖者诺沃肖洛夫出生在前苏联，他在荷兰奈梅亨大学攻读博士学位时遇见了同为俄裔科学家的海姆，此后一直追随他。
应用：从芯片到太空电梯
由单层碳原子组成蜂窝状晶格结构的石墨烯，目前被世界公认为是最薄和最坚硬的材料。但在中科院微电子所所长叶甜春看来，更关键的是它的载流子迁移率非常高，大于硅材料的100倍。
根据英特尔联合创始人提出的摩尔定律，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月至两年便会增加一倍，性能也将提升一倍。但摩尔定律有个“天花板”：随着技术进步，当芯片的特征尺寸小到只有10个纳米左右时，便可能达到了硅晶体管制造的极限。小于这个尺寸，硅材料较低的载流子迁移率等特性使摩尔定律面临严峻挑战。
“由于石墨烯的载流子迁移率非常高，用它制成的新一代超大规模集成电路芯片的运行速度将更快、体积更小、更省电。这种进步将是革命性的，因为硅芯片的工作频率一般只有几百至几千兆赫兹，最高也只达到几万兆赫兹，而石墨烯芯片的频率将可达几十万兆赫兹甚至更高。”
石墨烯的应用领域不只限于微电子芯片，从柔性电子产品到智能服装，从可折叠显示器到有机太阳能电池、超轻型飞机材料和防弹衣，甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。
正因石墨烯有着如此令人神往的应用前景，两位研究者从第一篇论文发表到获奖，只用了6年时间。“这确实比较特殊，”叶甜春评价道。往届诺奖的大部分获得者，其研究成果都已发表多年，并已获得了大范围的应用，以至于业界笑称“要想获诺奖，先要活得长”。
中科院物理所一位副研究员告诉记者，今年4月，诺贝尔基金会曾邀请了一批被它认为在国际上有影响力的学者聚会，该所副所长高鸿钧便在此之列。会上交流时，高和其他国家的一些科学家们都认为，石墨烯应当有资格获奖。
商业化：三五年或三五十年
尽管前景光明，石墨烯从发现至今，仍未实现大规模的应用。对此，叶甜春表示，目前主要的困难还是材料和器件的制备和生产技术。撕透明胶带只是做研究时用的“土办法”，要想投入商用，就需获得质量和产量上皆理想的石墨烯材料。
叶甜春介绍说，目前有好几种制造石墨烯的方法，从实用性角度讲最有希望的是“化学气相沉积”法，即以铜、镍等过渡族金属材料为母基来“生长”具有原子级厚度的石墨烯材料。“但目前的技术最多只能生长出4英寸晶圆级石墨烯，无论是在质量还是尺寸上，都与现代芯片制造所需的12英寸材料还有很大差距。”
“石墨烯全面取代硅的时间，还不好预测，也许三五年，也可能三五十年。其实硅芯片技术从出现到发展成熟，也用了五六十年。”上述副研究员表示。不过，叶甜春认为，相比此前被看好的“硅的取代者”碳纳米管，石墨烯有可能被更快地投入应用。
于1991年被发现的碳纳米管，也曾被业界视为本届诺奖的热门候选者之一。之所以没有获奖，叶甜春指出，可能正因为它的商业化应用还存在很多问题。“但由于石墨烯二维的平面结构与现有的硅基芯片技术兼容性好，使其芯片的制造将有可能基于现有硅芯片的制造技术，而不用像碳纳米管那样，需重起炉灶。”
在对石墨烯的研究上，国内做到了及时跟进，进展差不多跟国外处于同一水平上，中科院与一些高校有多个项目都在同时进行。微电子所已在实验室条件下研制出了石墨烯器件。而中科院物理所则与今年的诺奖得主海姆一直有实质性的合作。
值得一提的是，海姆于2004年发表的第一篇关于石墨烯的论文，共有9名作者，其中署名第四和第五位都是中国留学生。
[中国新闻周刊]
从搞笑诺贝尔奖到诺贝尔奖
石墨烯,这是一种科学家曾经认为不会存在的二维物体,它不但是人们获得过的最薄的物质,也是最坚固的物质。人们预计,石墨烯将来有可能应用在各种新鲜的电子设备上。
□本报记者黄永明
七年前的一天,英国曼彻斯特大学教授安德烈·盖姆(AndreGeim)交给他新招的中国博士生一块石墨,让他打磨出小薄片来,交代他说越薄越好。同时交给这名博士生使用的还有一部精密的打磨仪器。
三个星期过去了,博士生拿着打磨出来的石墨薄片来见盖姆。盖姆用显微镜观察了一下,这个薄片大约有10微米,也就意味着大约有1000层碳原子。盖姆问博士生:“你还能弄得更薄一点吗?”博士生回答说:“那样的话,我就需要一块新的石墨。”盖姆提供给他的这种石墨叫做“高定向热解石墨”,大约300美元一块。听他这么一说,盖姆的话就不那么中听了,他对博士生说,你不需要为了一个薄片而把整块石墨都用光啊。博士生则回敬道:“你这么聪明,那你自己干啊!”博士生的话说到这个份上,盖姆作为导师别无选择,只有亲自上阵。他在一个星期的时间里,成功地把石墨薄片做到了只有10层厚。后来,他与合作者康斯坦丁·诺沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)更是最终得到了单层的石墨,也就是石墨烯。这为两位赢来了今年的诺贝尔物理奖。
透明胶带立奇功
盖姆没有在博士生面前丢脸,并不是因为他使用了什么更为先进的仪器。恰恰相反,他用的是最便宜的工具———透明胶带。
盖姆的做法是,用透明胶带粘在石墨的顶层再撕下来,这样就会有碎片脱落,粘在胶带上。当然这时碎片仍然是相对很厚的。盖姆对折胶带,再粘一次,这样就能得到更薄一些的碎片。然后重复这个过程10到20次,就用这种方式得到了10层厚的石墨薄片。
盖姆1958年出生于黑海东岸的索契,父母都是工程师。1982年从莫斯科物理与应用科学大学取得硕士学位,五年后从邻近莫斯科的固体物理研究所获得博士学位。此后他在微电子研究所工作了两年,于1990年代初离开俄罗斯。
他离开的时间正是俄罗斯科技人才大量流失的时期。根据一项统计,1991年底俄罗斯的科技人员有350万人,到了1994年,就只剩下大约150万人了。这些人才流失的主要原因除了国际上的科研环境颇具吸引力之外,也包括了国内科研人员基本生活无法得到保障、科研经费紧缩导致的失落感强烈。
但也许正是这样的环境促使盖姆形成了特别的研究风格。他善于最大程度地利用手边的器材和知识,做出好的
科学。获得诺贝尔奖之后,诺贝尔基金会的人跟他通电话,他说,他的实验“向人们展示了,你事实上不需要在哈佛或是剑桥,不需要在集纳了最聪明的人和最先进的设备的地方。你在设备上处于二三流的大学里……也能做出令人惊讶的东西”。“我希望,这作为一个案例能给年轻一代带来更多的激发,启示他们,不在最好的地方和最好的时间也照样能做出东西。”盖姆接着说。
盖姆用透明胶带剥离石墨薄片的做法被学术界命名为“透明胶带技术”,他曾经反对使用这样一个听上去不够“高科技”的名称。他有一次开玩笑说,按照这种思路,你可以把碳纳米管称为“野外烧烤技术”,因为碳纳米管可以从野外烧烤的炭灰里面得到。
尽管盖姆对“透明胶带技术”这个称谓颇有微词,但也正是这种技术首先帮助他获得了科学界曾经认为不可能得到的材料。
玩出石墨烯
“当大自然要选择一种元素作为生命的基础时,它选择了碳。如果一定要我猜一猜为什么的话,我会说原因在于碳拥有超乎寻常的多变性。”盖姆的合作者诺沃肖洛夫在一篇介绍性文章的开篇这样写道。
在他看来,钻石是无趣的,因为钻石是绝缘体。而同样由碳原子构成的石墨却是绝佳的导电体,要有趣得多。
诺沃肖洛夫1974年出生于俄罗斯NizhnyTagil,受到时在荷兰内梅亨大学的盖姆的邀请来到同一所大学攻读博士学位,后又与盖姆一同来到英国曼彻斯特大学继续他们的研究。获得诺贝尔奖时他年仅36岁。“他是我三五个最乐意共度研究时光的同事之一。”从盖姆的言辞间不难看出他对诺沃肖洛夫的欣赏。当盖姆从荷兰到英国之后,他就开始为诺沃肖洛夫寻找博士后职位,尽管那个时候诺沃肖洛夫尚未取得博士学位。“对于包括康斯坦丁在内的几个少数我敬重的人来说,我不太区分你是博士生还是正教授。只要你工作努力、高效,所有人都是同事。”盖姆告诉诺贝尔基金会的访问者。
盖姆的一天就是“工作、工作和工作”,而当诺贝尔基金会的人给诺沃肖洛夫打电话的时候,他的第一反应是请对方等一分钟,他先去把正在进行的实验停掉。
他们并不觉得枯燥,反而非常享受这样的工作。“我们只是试图对所有事情保持好奇,最重要的是玩得开心。”诺沃肖洛夫对电话的那一头说。他所说的“玩”当然指的是实验。盖姆有一个惯例,就是每周五的晚上会让大家做一些“疯狂”的实验,这些实验完全来自他们的奇思妙想,利用的也是随手可得的材料。
比如说,盖姆成功地将一只青蛙在磁场里悬浮了起来。他把这个实验写成论文发表在一份物理学期刊上,然后就因此在2000年获得了“搞笑诺贝尔奖”。他还曾让蜘蛛侠的照片登上严肃的学术期刊:他研究了壁虎掌纹的微结构,据此做出了类似的粘性胶条。他把胶条粘在一个蜘蛛侠玩偶的手掌上并将玩偶粘挂在玻璃板上,拍下照片插放在他为此研究撰写的论文中,然后发表在《自然·材料科学》上。2004年,盖姆和诺沃肖洛夫新玩出的花样———石墨烯———发表在《科学》杂志上。这是一种科学家曾经认为不会存在的二维物体,它不但是人们获得过的最薄的物质,也是最坚固的物质。它几乎完全透明,导热性好。人们预计石墨烯将来有可能应用在各种新鲜的电子设备上。
仅仅六年,他们因为石墨烯所做的“开创性实验”就获得了诺贝尔奖。此次获奖也使盖姆成为历史上第一位同时获得过“搞笑诺贝尔奖”和诺贝尔奖的个人。
从盖姆这些年的研究轨迹中可以看出,他经常转换研究领域。这一点按照他自己的话来说,如果年复一年都在研究同一个问题的话,就会感到厌倦,所以大约每过五年就会做一下转变。不过从2003年到今天,对于石墨烯的研究已经超过了五年,他却仍然没有“转行”的计划。这一领域对他来说仍然新鲜,每年都会产生新的“亚领域”,而且尽管领域内的竞争已经非常激烈,但他仍然处于领先位置。
获奖之后,俄罗斯的一家基金会力邀盖姆和诺沃肖洛夫回国,建设“俄罗斯的前沿创新中心”。盖姆的回答是:“我没有俄罗斯护照,我是荷兰公民。他们是在发神经吗?”盖姆说,俄罗斯的科学水平与国际水平相差50年,目前基础设施匮乏,而这不是五年十年能够改变的。
“他们是认为只要给一袋子金子,就能请到任何人吗?”盖姆对俄罗斯媒体说,“引进知名人士是愚蠢的做法,一个国家需要培养他们自己的。”
[南方周末]