2004 年的一個(gè)星期五晚上，在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)室中，兩位物理學(xué)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(xué)家之夜，當(dāng)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(fù)粘貼和剝離20至30次，直到越來(lái)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(luò)。 每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都是一個(gè)完美的六邊形，每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)碳原子； 而且，這種薄片還具有獨(dú)特的電子和機(jī)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(chēng)為單層石墨片或石墨烯，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處的碳原子通過(guò)碳碳雙鍵連接。
六年后，瑞典皇家科學(xué)院決定將 2010 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予這兩位物理學(xué)家：安德烈·海姆 (Andre Geim) 和康斯坦丁·諾沃肖洛夫 ( )，以表彰他們?cè)诙S材料石墨烯方面的工作。 “突破性實(shí)驗(yàn)”。
兩個(gè)人的故事
“當(dāng)你認(rèn)為我們?cè)谘芯课锢韺W(xué)時(shí)，我們不是，我們是在研究科學(xué)，這意味著我們有很多興趣，這些興趣比物理學(xué)的任何特定領(lǐng)域或物理學(xué)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(xué)，并在莫斯科開(kāi)始學(xué)習(xí)物理學(xué)。 他們從荷蘭開(kāi)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(guó)民。 1987年在俄羅斯科學(xué)院固體物理研究所獲得博士學(xué)位。現(xiàn)任英國(guó)曼徹斯特大學(xué)介觀科學(xué)與納米技術(shù)中心主任、朗沃斯物理學(xué)教授、英國(guó)皇家科學(xué)院院士。科學(xué)。 2010年年度研究教授。
36 歲的諾沃肖洛夫擁有英國(guó)和俄羅斯雙重國(guó)籍。 2004年在荷蘭奈梅亨大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)任曼徹斯特大學(xué)教授、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)研究員。
在研究領(lǐng)域，海姆就像一個(gè)流浪者，從俄羅斯漫游到荷蘭，再到英國(guó)。 “對(duì)我來(lái)說(shuō)，年復(fù)一年地做同樣的事情是非常無(wú)聊的，所以每當(dāng)我們進(jìn)行任何特定的研究時(shí)，我總是在同一時(shí)間尋找其他可能的事情，”他說(shuō)。
在荷蘭期間，海姆邀請(qǐng)諾沃肖洛夫到奈梅亨大學(xué)攻讀學(xué)位。 他不是諾沃肖洛夫的博士生導(dǎo)師，但兩人之間的合作開(kāi)始了。
“你看他多厲害啊！” 海姆在接受諾貝爾獎(jiǎng)基金會(huì)網(wǎng)站采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)道。 “所以，我離開(kāi)荷蘭后做的第一件事就是邀請(qǐng)他來(lái)英國(guó)做博士后，盡管他當(dāng)時(shí)還沒(méi)有獲得博士學(xué)位。我們的合作一直持續(xù)到現(xiàn)在，12年了我不認(rèn)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(méi)有發(fā)生過(guò)爭(zhēng)執(zhí)，也從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)爭(zhēng)執(zhí)。會(huì)的，他是我真正樂(lè)意與之分享工作時(shí)間的少數(shù)人之一。”
諾沃肖洛夫說(shuō)：“安德烈是一位了不起的物理學(xué)家。坦白說(shuō)，我從他那里學(xué)到了很多東西。基本上我所有的物理學(xué)知識(shí)都是從他那里學(xué)到的……當(dāng)你認(rèn)為我們?cè)谧鑫锢韺W(xué)時(shí)，我們沒(méi)有，我們正在做科學(xué)，這意味著我們有很多興趣，比任何特定的物理學(xué)領(lǐng)域或物理學(xué)本身都要廣泛得多，所以我們?cè)噲D對(duì)一切保持興趣，最重要的是，享受樂(lè)趣。所以安德烈介紹了周五晚上實(shí)驗(yàn)的例程……在那里，我們會(huì)做一些令人著迷、瘋狂的事情，有時(shí)有結(jié)果，有時(shí)沒(méi)有。石墨烯就是其中之一。”
周五晚上的實(shí)驗(yàn)
那天晚上的發(fā)現(xiàn)在科學(xué)界激起了永遠(yuǎn)的波瀾。
兩人對(duì)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(chǔ)，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(jiàn)的形式，由多層網(wǎng)絡(luò)狀碳膜組成。
早在20世紀(jì)40年代，物理學(xué)家PR就對(duì)石墨烯進(jìn)行了理論研究，并預(yù)言了其結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的特殊電子特性。 在 20 世紀(jì) 60 年代，科學(xué)家們已經(jīng)知道構(gòu)成石墨的碳膜是六邊形網(wǎng)格相連的網(wǎng)絡(luò)。 但他們認(rèn)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(wú)法與石墨分離。 碳膜在室溫下不穩(wěn)定，會(huì)彎曲成管狀或其他形狀。
一個(gè)基本事實(shí)是，雖然碳片非常薄，但需要 300 萬(wàn)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(dāng)鉛筆輕輕劃過(guò)紙張時(shí)，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(méi)有人通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功剝離穩(wěn)定的石墨片。
為了研究石墨的電性能物理學(xué)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(guò)研磨石墨晶體來(lái)獲得薄片，但沒(méi)有成功。 隨后，技術(shù)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(jìn)行觀察。 在周五晚上的一次實(shí)驗(yàn)中，他們用透明膠帶粘上一些石墨薄膜，然后用膠帶反復(fù)粘貼和剝離薄膜。 薄膜變得越來(lái)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(guò)顯微鏡觀察它們。
兩人將他們的新發(fā)現(xiàn)寫(xiě)成一篇論文，發(fā)表在 2004 年 10 月號(hào)《科學(xué)》雜志上。 在論文中，他們描述了石墨烯的結(jié)構(gòu)、特性和性能，以及獲得石墨烯的方法。
事實(shí)上，美國(guó)物理學(xué)家R. Ruoff的研究小組在1999年的一篇論文中首先提出并測(cè)試了這種方法，但他們無(wú)法識(shí)別出任何單層碳膜。 海姆和諾沃肖洛夫之所以成功，是因?yàn)樗麄冇霉鈱W(xué)方法鑒定了只有幾層結(jié)構(gòu)的碎片，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)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(gè)原子厚，是人類(lèi)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(chǔ)理論研究，具有無(wú)限的應(yīng)用前景。 物理學(xué)家用它來(lái)研究量子霍爾效應(yīng)和隧道效應(yīng)； 該行業(yè)用它來(lái)開(kāi)發(fā)觸摸屏并將其制成超快晶體管。 諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的文章指出，石墨烯的柔韌性可用于制造超強(qiáng)、超薄、超輕的復(fù)合材料，用于制造未來(lái)的汽車(chē)、飛機(jī)和衛(wèi)星。
一種精神
“有時(shí)用手就能完成非常簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，就能做出非常簡(jiǎn)單的發(fā)現(xiàn)。” ——安德烈·海姆
石墨烯打開(kāi)了基礎(chǔ)物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)的大門(mén)。 它的故事傳達(dá)的一個(gè)信息是，實(shí)驗(yàn)物理不一定需要復(fù)雜的設(shè)備，而且可以簡(jiǎn)單地完成。
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的一位物理學(xué)家告訴《紐約時(shí)報(bào)》，他曾經(jīng)對(duì)石墨烯的未來(lái)持懷疑態(tài)度，但是，“每年，我都會(huì)驚訝地看到新的實(shí)驗(yàn)顯示其潛在應(yīng)用。” ，從電子設(shè)備到化學(xué)傳感器再到復(fù)合材料。” 他認(rèn)為，諾貝爾獎(jiǎng)授予海姆和諾沃肖洛夫反映了石墨烯可能帶來(lái)的應(yīng)用和新的物理實(shí)驗(yàn)。 他表示，石墨烯具有“一種以前只在高能物理學(xué)中見(jiàn)過(guò)的特性，這是一個(gè)瘋狂的開(kāi)始”，并且不再需要粒子加速器。 “你可以在桌面上做相對(duì)論實(shí)驗(yàn)。”
諾沃肖洛夫在接受諾貝爾基金會(huì)采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)：“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(shí)驗(yàn)的真正精神。你無(wú)法使用任何復(fù)雜的儀器或任何東西。” 。 事情只能徒手去做，有結(jié)果，那就有效。 石墨烯就是其中一個(gè)例子。”
海姆認(rèn)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(shè)備的大學(xué)。你仍然可以在擁有二流或三流設(shè)備的大學(xué)。了不起的工作。我希望這個(gè)例子能讓年輕科學(xué)家更有熱情，相信即使你不在最好的地方或最好的時(shí)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(lǐng)域正變得越來(lái)越擁擠，成千上萬(wàn)的科學(xué)家，海姆希望開(kāi)辟新的角落。
與諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者羅伯特·愛(ài)德華茲一起，今年的三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者都是在英國(guó)完成工作的，而且三位都是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員。 英國(guó)皇家學(xué)會(huì)主席馬丁·李表示，這些獎(jiǎng)項(xiàng)凸顯了國(guó)家支持基礎(chǔ)研究的重要性，并警告說(shuō)，英國(guó)政府日益嚴(yán)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(jìn)入英國(guó)。
