劉國偉

單層石墨烯一度“徒有虛名”

2010年12月，康斯坦丁·諾沃肖洛夫與其老師英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆因為“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗”，一起獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。那么，這兩位科學(xué)家在石墨烯領(lǐng)域為什么能夠取得突破？

從19世紀(jì)中葉起，不斷有科學(xué)家開始關(guān)注到石墨結(jié)構(gòu)的特別之處，并從各方面開展研究。1947年，加拿大理論物理學(xué)家菲利普·華萊士首次探索了石墨烯的理論。隨著科學(xué)家們在電子顯微鏡下觀察到層疊在一起的石墨薄片，如何通過化學(xué)剝離獲得單層石墨烯的問題，就提上了科學(xué)界的日程。1986年，3位科學(xué)家造出了石墨烯（graphene） 一詞，它是由石墨（graphite）的前5個字母和一個表示烯類物質(zhì)的后綴（-ene）構(gòu)成。

雖然有了自己的名字，但是石墨烯當(dāng)時仍是一種假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，因為在自然界中它無法穩(wěn)定地單獨(dú)存在。在很長時間里，科學(xué)研究止步于多層石墨烯組成的污泥狀物質(zhì)。只有成功地在實(shí)驗中從石墨中分離出單層的石墨烯，才能證實(shí)它可以單獨(dú)存在。通過機(jī)械剝離，制造更薄的石墨結(jié)構(gòu)的努力在上世紀(jì)90年代就開始了，但是科研人員勞而無功，因為加工到幾十層結(jié)構(gòu)的時候就難以繼續(xù)推進(jìn)了。由于苦求單層石墨烯而不可得，科學(xué)界甚至有人開始懷疑單層石墨烯是否真的存在。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獨(dú)辟蹊徑，用一種匪夷所思的方法制出了單層石墨烯結(jié)構(gòu)，此舉驚動了當(dāng)時的科學(xué)界。他們是怎樣做到的呢？

用膠帶撕出來的石墨烯

安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫兩人的成功離不開天時地利人和，但更離不開他們堅持不懈的努力。

所謂天時，是指研究界在石墨烯的制備方面已經(jīng)做了相當(dāng)長時間的摸索，走過無數(shù)條的死胡同，也為后來者提供了許多有用的信息。所謂地利，是指曼徹斯特大學(xué)為兩人的研究提供了高分辨率的儀器設(shè)備，使精通低溫掃描隧道顯微鏡的工作人員，可以從原子級別看到石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)。所謂人和，是指兩人富有特色的合作模式“周五之夜”。他倆經(jīng)常在周五的晚上嘗試不同的實(shí)驗方法，雖然這些實(shí)驗與自己的日常工作未必有直接關(guān)系。這種頭腦風(fēng)暴激發(fā)下的沒有思想包袱的嘗試，最終打動了幸運(yùn)女神。

2004年的一個星期五，兩位科學(xué)家從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。如此不斷地反復(fù)操作，石墨薄片變得越來越薄。最后他們在顯微鏡下觀察到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是幾代人苦求不得的石墨烯。

兩人迅速將研究成果整理成論文投給了英國《自然》期刊，但《自然》拒絕發(fā)表。兩人轉(zhuǎn)而把論文投給了美國的《科學(xué)》雜志，《科學(xué)》雜志如期發(fā)表了他們的成果?？梢姡瑥膶?shí)驗過程到發(fā)表成果，這期間如果在某個環(huán)節(jié)上被卡住，如此巨大的榮譽(yù)也許就會花落別家。成果問世后僅僅6年，兩人就獲得了諾貝爾獎，從出成果到拿諾獎的時間之短，這在諾獎歷史上是非常罕見。

老師：十年兩次獲“諾貝爾獎”

安德烈·海姆1958年生于蘇聯(lián)索契（今屬俄羅斯），有德裔血統(tǒng)。據(jù)他本人講，德裔血統(tǒng)讓他受到歧視，曾經(jīng)導(dǎo)致他兩次求學(xué)受挫。一番周折后，他于1987年在俄羅斯科學(xué)院取得博士學(xué)位。隨后，他到荷蘭和英國從事科研工作，從此離開了俄羅斯。這一經(jīng)歷不僅使他最終把事業(yè)發(fā)展地定在英國曼徹斯特，獲得了荷蘭和英國國籍，而且還在荷蘭奈梅亨遇到了一位優(yōu)秀的學(xué)生，也就是后來同獲諾獎的研究伙伴康斯坦丁·諾沃肖洛夫。

身為一名優(yōu)秀的物理學(xué)家，安德烈·海姆“保持好奇”的特質(zhì)也許是最讓人印象深刻的。為人們津津樂道的是，早在2000年，安德烈·海姆就因為“懸浮青蛙”試驗獲得過一次“搞笑諾貝爾獎”。原來，海姆的實(shí)驗室里，有一臺能產(chǎn)生強(qiáng)大磁場的設(shè)備。海姆曾經(jīng)別出心裁地把水、水果乃至青蛙扔進(jìn)去，結(jié)果發(fā)現(xiàn)被丟進(jìn)去的物體和青蛙都能懸浮。海姆也因此獲得2000年的搞笑諾貝爾獎。10年后，海姆“再次”榮獲諾獎，從而成為迄今唯一既獲得“搞笑諾貝爾獎”，又獲得真正諾貝爾獎的科學(xué)家。

提起兩次獲獎經(jīng)歷，2013年海姆說出了自己的內(nèi)心感受：“坦率地說，對‘搞笑諾貝爾獎和真正諾貝爾獎我是同樣重視的，一點(diǎn)自我貶損總是有益的?！?/p>

徒弟：藝術(shù)才子的中國情緣

康斯坦丁·諾沃肖洛夫1974年出生于蘇聯(lián)烏拉爾山地區(qū)的工程師和教師家庭。這位70后的成長環(huán)境中有著濃厚的技術(shù)氛圍，他從小就喜歡拆卸零件和做實(shí)驗?？邓固苟∪〉玫某删秃妥约旱男燎谂γ懿豢煞??！董h(huán)境與生活》雜志記者從全球著名的多學(xué)科學(xué)術(shù)研究社區(qū)網(wǎng)站researchid.com上了解到，截至本文發(fā)稿，康斯坦丁共發(fā)表了336篇經(jīng)過同行評議的論文;從2007年到2014年，康斯坦丁的論文被引用率一直高居全球科研人員第一梯隊。從他的年齡來看，能做出如此數(shù)量的高質(zhì)量研究成果無疑是十分驚人的。

不過，這位年輕諾獎得主的藝術(shù)才情絲毫不遜于其科學(xué)成就。2015年2月，曼徹斯特惠特沃斯美術(shù)館開幕時，他在場館中展示了個人美術(shù)作品，他還對科學(xué)家和藝術(shù)家之間的聯(lián)系談了自己的看法：“二者必須通過天才的實(shí)驗或想法來揭露最有趣的現(xiàn)象。之后二者必須有所不同：因為科學(xué)家開始研究許多現(xiàn)象之間的共性來描述最普遍的規(guī)律，而藝術(shù)家可能會嘗試研究個體而不是整個人群。但我們只是同一枚獎牌的兩面?！?/p>

康斯坦丁榮譽(yù)等身，他獲得了曼徹斯特市榮譽(yù)自由勛章、英國帝國騎士勛章和荷蘭獅騎士勛章。但最讓《環(huán)境與生活》記者印象深刻的是他的中國情緣。

2015年10月23日，中國國家主席習(xí)近平參觀曼徹斯特大學(xué)國家石墨烯研究院時，聽取了安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫?qū)κ┭芯壳闆r的介紹。英國物理學(xué)會旗下的《物理世界》雜志網(wǎng)站稱，這次活動還有一個花絮，康斯坦丁向習(xí)主席贈送了自己的一幅畫作。

2017年，康斯坦丁有5幅畫作參加了維也納當(dāng)代藝術(shù)博覽會，有風(fēng)景畫，也有傳統(tǒng)的花鳥魚蟲畫。在畫作上，他還留下了“科思厙（ti）壓（ya）”的漢字落款，這4個字是他的漢語名字，應(yīng)是他名字昵稱“Kostya”的音譯。