2004 年的一個星期五晚上，在英國曼徹斯特大學的一個物理實驗室中，兩位物理學家希望獲得盡可能薄的石墨層。 他們幾乎不使用任何東西：鉛筆芯等石墨、透明膠帶、顯微鏡物理學家之夜，當然還有他們的手和大腦。
他們用透明膠帶將石墨薄片粘貼和剝離，然后用膠帶將薄片反復粘貼和剝離20至30次，直到越來越薄； 然后，他們將這些薄片放在氧化硅基板上，并利用原子力在顯微鏡下觀察，他們發(fā)現(xiàn)了單層石墨片：具有原子厚度的單層網(wǎng)絡。 每個網(wǎng)絡都是一個完美的六邊形，每個網(wǎng)格節(jié)點都是一個碳原子； 而且，這種薄片還具有獨特的電子和機械性能。 啊！ 這是一種全新的材料——大自然編織的美麗、神秘的網(wǎng)！
他們將其稱為單層石墨片或石墨烯，因為節(jié)點處的碳原子通過碳碳雙鍵連接。
六年后，瑞典皇家科學院決定將 2010 年諾貝爾物理學獎授予這兩位物理學家：安德烈·海姆 (Andre Geim) 和康斯坦丁·諾沃肖洛夫 ( )，以表彰他們在二維材料石墨烯方面的工作。 “突破性實驗”。
兩個人的故事
“當你認為我們在研究物理學時，我們不是，我們是在研究科學，這意味著我們有很多興趣，這些興趣比物理學的任何特定領域或物理學本身都要廣泛得多。” — 康斯坦丁·諾沃肖洛夫
兩人都出生于俄羅斯，畢業(yè)于莫斯科理工大學，并在莫斯科開始學習物理學。 他們從荷蘭開始合作，至今已經(jīng)持續(xù)了12年。
安德烈·海姆 (Andre Geim) 51 歲，荷蘭國民。 1987年在俄羅斯科學院固體物理研究所獲得博士學位。現(xiàn)任英國曼徹斯特大學介觀科學與納米技術中心主任、朗沃斯物理學教授、英國皇家科學院院士。科學。 2010年年度研究教授。
36 歲的諾沃肖洛夫擁有英國和俄羅斯雙重國籍。 2004年在荷蘭奈梅亨大學獲得博士學位，現(xiàn)任曼徹斯特大學教授、英國皇家學會研究員。
在研究領域，海姆就像一個流浪者，從俄羅斯漫游到荷蘭，再到英國。 “對我來說，年復一年地做同樣的事情是非常無聊的，所以每當我們進行任何特定的研究時，我總是在同一時間尋找其他可能的事情，”他說。
在荷蘭期間，海姆邀請諾沃肖洛夫到奈梅亨大學攻讀學位。 他不是諾沃肖洛夫的博士生導師，但兩人之間的合作開始了。
“你看他多厲害啊！” 海姆在接受諾貝爾獎基金會網(wǎng)站采訪時說道。 “所以，我離開荷蘭后做的第一件事就是邀請他來英國做博士后，盡管他當時還沒有獲得博士學位。我們的合作一直持續(xù)到現(xiàn)在，12年了我不認為博士生和正教授有多大區(qū)別，只要我們努力工作，高效工作，大家都是同事，我們都是同事。懷著尊重，我們沒有發(fā)生過爭執(zhí)，也從來沒有發(fā)生過爭執(zhí)。會的，他是我真正樂意與之分享工作時間的少數(shù)人之一。”
諾沃肖洛夫說：“安德烈是一位了不起的物理學家。坦白說，我從他那里學到了很多東西。基本上我所有的物理學知識都是從他那里學到的……當你認為我們在做物理學時，我們沒有，我們正在做科學，這意味著我們有很多興趣，比任何特定的物理學領域或物理學本身都要廣泛得多，所以我們試圖對一切保持興趣，最重要的是，享受樂趣。所以安德烈介紹了周五晚上實驗的例程……在那里，我們會做一些令人著迷、瘋狂的事情，有時有結果，有時沒有。石墨烯就是其中之一。”
周五晚上的實驗
那天晚上的發(fā)現(xiàn)在科學界激起了永遠的波瀾。
兩人對石墨烯的研究源于他們研究石墨烯電子特性的愿望。
碳是地球上所有生命的基礎，是元素周期表中最令人驚奇的元素之一。 碳以多種不同的形式存在，從軟石墨到硬金剛石。 石墨是最常見的形式，由多層網(wǎng)絡狀碳膜組成。
早在20世紀40年代，物理學家PR就對石墨烯進行了理論研究，并預言了其結構所帶來的特殊電子特性。 在 20 世紀 60 年代，科學家們已經(jīng)知道構成石墨的碳膜是六邊形網(wǎng)格相連的網(wǎng)絡。 但他們認為，從石墨上剝離單層碳膜是不可能的，而且這樣的單層碳膜也無法與石墨分離。 碳膜在室溫下不穩(wěn)定，會彎曲成管狀或其他形狀。
一個基本事實是，雖然碳片非常薄，但需要 300 萬片碳片才能堆積成 1 毫米厚的石墨層。 但碳片之間的吸引力較弱，使石墨變軟，容易剝落。 當鉛筆輕輕劃過紙張時，留下的痕跡可能是幾層甚至只是一層石墨烯。 然而，在2004年之前，還沒有人通過實驗成功剝離穩(wěn)定的石墨片。
為了研究石墨的電性能物理學家之夜，海姆和諾沃肖洛夫需要非常薄的石墨片，甚至單層碳片。 他們最初希望通過研磨石墨晶體來獲得薄片，但沒有成功。 隨后，技術人員向他們展示了如何使用透明膠帶去除隧道掃描顯微鏡上殘留的石墨，然后才能進行觀察。 在周五晚上的一次實驗中，他們用透明膠帶粘上一些石墨薄膜，然后用膠帶反復粘貼和剝離薄膜。 薄膜變得越來越薄，直到只剩下一層。 他們將這些石墨薄膜放置在氧化硅基板上，并通過顯微鏡觀察它們。
兩人將他們的新發(fā)現(xiàn)寫成一篇論文，發(fā)表在 2004 年 10 月號《科學》雜志上。 在論文中，他們描述了石墨烯的結構、特性和性能，以及獲得石墨烯的方法。
事實上，美國物理學家R. Ruoff的研究小組在1999年的一篇論文中首先提出并測試了這種方法，但他們無法識別出任何單層碳膜。 海姆和諾沃肖洛夫之所以成功，是因為他們用光學方法鑒定了只有幾層結構的碎片，發(fā)現(xiàn)其中一個碎片只有一層碳膜； 此外，他們將石墨烯制成全息圖。 該棒連接到電極并通電以研究其電特性。
石墨烯只有一個原子厚，是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一種二維晶體材料。 這種新材料具有許多非凡的性能，可用于基礎理論研究，具有無限的應用前景。 物理學家用它來研究量子霍爾效應和隧道效應； 該行業(yè)用它來開發(fā)觸摸屏并將其制成超快晶體管。 諾貝爾獎委員會的文章指出，石墨烯的柔韌性可用于制造超強、超薄、超輕的復合材料，用于制造未來的汽車、飛機和衛(wèi)星。
一種精神
“有時用手就能完成非常簡單的實驗，就能做出非常簡單的發(fā)現(xiàn)。” ——安德烈·海姆
石墨烯打開了基礎物理學和應用物理學的大門。 它的故事傳達的一個信息是，實驗物理不一定需要復雜的設備，而且可以簡單地完成。
美國國家標準與技術研究所的一位物理學家告訴《紐約時報》，他曾經(jīng)對石墨烯的未來持懷疑態(tài)度，但是，“每年，我都會驚訝地看到新的實驗顯示其潛在應用。” ，從電子設備到化學傳感器再到復合材料。” 他認為，諾貝爾獎授予海姆和諾沃肖洛夫反映了石墨烯可能帶來的應用和新的物理實驗。 他表示，石墨烯具有“一種以前只在高能物理學中見過的特性，這是一個瘋狂的開始”，并且不再需要粒子加速器。 “你可以在桌面上做相對論實驗。”
諾沃肖洛夫在接受諾貝爾基金會采訪時說：“做一些令人著迷的事情，讓事情變得瘋狂。” “這就是周五晚上實驗的真正精神。你無法使用任何復雜的儀器或任何東西。” 。 事情只能徒手去做，有結果，那就有效。 石墨烯就是其中一個例子。”
海姆認為，石墨烯的發(fā)現(xiàn)表明：“你不需要在哈佛或劍橋這些擁有最聰明的人和最好的設備的大學。你仍然可以在擁有二流或三流設備的大學。了不起的工作。我希望這個例子能讓年輕科學家更有熱情，相信即使你不在最好的地方或最好的時間，你也可以做出一些事情。”
海姆和諾沃肖洛夫仍在研究石墨烯，但該領域正變得越來越擁擠，成千上萬的科學家，海姆希望開辟新的角落。
與諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者羅伯特·愛德華茲一起，今年的三位諾貝爾獎獲得者都是在英國完成工作的，而且三位都是英國皇家學會的會員。 英國皇家學會主席馬丁·李表示，這些獎項凸顯了國家支持基礎研究的重要性，并警告說，英國政府日益嚴格的移民配額將阻止像海曼博士和諾沃肖洛夫博士這樣的人進入英國。
