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石墨烯传奇-之二 精选

已有 5360 次阅读 2019-9-17 08:04 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦

2. 石墨烯之父的随机漫步


既然石墨就是石墨烯重叠起来的“扑克牌”,那就意味着,石墨烯本来就存在于自然界中,存在于石墨矿石中,也就是存在于人们经常使用的铅笔芯中。但是,要想从这一堆扑克牌中抽出一张来,却是异常地困难,即使是抽出一小叠,也不是那么容易的。那么,如何从3维的石墨一层层剥离而得到2维的石墨烯呢?科学家们经历了不少的困难和波折,还有许多有趣的故事穿插其中,令人既感叹唏嘘,也扼腕捧腹。


上世纪90年代初,人们已经开始对0维的碳纳米球和1维的碳纳米管有所研究,但尚未涉足2维的碳结构。大家都知道2维碳结构就存在于石墨中,石墨的资源在地球上是如此地丰富和普通,而人类的高科技已经到了能够清楚地看到原子,某些条件下还可以操纵一个一个原子的水平。如果在电子显微镜下观察铅笔芯,可以清楚地看到层状或卷曲的局部二维结构!难道我们就不能找出一个办法,从石墨中分离出一些碳原子的薄片层,甚至于单层的“石墨烯”吗?


1990年,一位德国物理学家,采取用石墨在另一种物质表面刮擦的方法,制造出薄到透明的石墨片,他将这种方法取名为“微机械劈离”(micromechanical cleavage)法。不过,虽然已经“薄到透明”,但还远远不是单层原子。


接着,哥伦比亚大学物理系的一位韩国教授菲利普·金,对单层碳原子二维晶体颇感兴趣,企图运用类似微机械劈离法,分离出石墨薄层来。2002年,菲利普·金指导他的一位中国博士学生开始研究这个课题。这位中国学生企图用类似铅笔写字的方法来得到石墨烯,他花了两年的时间,研究制造出一种极小而又便于控制的“纳米铅笔”,并用它得到了30层左右的碳原子薄层,还发现了这种薄层的一些不同寻常的性质。


正当菲利普·金等为他们“30层碳原子”的研究结果而兴奋时,突然从欧洲杀出一匹黑马:英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫的文章发表在“科学”杂志上2,宣布他们已经成功地做出了单层石墨烯!


是怎么回事呢?原来曼彻斯特大学研究小组从2000年就开始想办法从石墨中分离石墨烯。小组的领导人是如今人们将他誉为“石墨烯之父”的 海姆教授。这位教授可不是一个等闲之辈,他是一个完全与众不同的物理学家。我们在讲述他如何用胶带粘出诺贝尔奖的故事之前,首先给你讲述他的另外几个科研成果的故事,绝对会颠覆你头脑中过去对“物理学家”形成的刻板形象。


安德烈·海姆(Andre Geim1958 -)的父母为德国人,但他于1958年出生于俄罗斯的索契,那是黑海边上的一个小城,海姆的父母都是那儿的工程师。之后,海姆到莫斯科的物理学院接受高等教育,后来在俄罗斯科学院固体物理学研究院获得博士学位,毕业在校工作三年后到英国、欧洲、丹麦、荷兰等地继续他的研究工作。海姆拥有荷兰国籍,现受聘于英国曼彻斯特大学。


1-2-1:石墨烯之父海姆的“科研漫步”


之后,海姆因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,与他的学生诺沃肖洛夫一起,共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。针对他复杂多彩、漫游世界的科研生涯,海姆作了一个精彩的诺贝尔演讲,取名为“随机漫步到石墨烯”3,见图1-2-1。海姆演讲中迸发的科学精神和创新思维,令人耳目一新、脑洞大开;他风趣幽默的语言和实例,赢得笑声不断,掌声一片。


海姆的“随机漫步”,指的不仅仅是如图1-2-1所示的地理位置上不断变化的 “漫步”,更深一层的意思说的是他的各类科研实验课题,在横向思维指导下的、复杂而有趣的“漫步”。海姆的科研漫步路,证实了横向思维的重要性。


海姆是物理学家,但他的第一个著名研究工作与青蛙有关,他和因提出几何相而出名的物理学家迈克尔·贝里(Sir Michael Berry 1941-)一起研究“磁悬浮青蛙”,而获得2000年的搞笑诺贝尔物理奖(Ig Nobel Prize for Physics4


大多数人知道诺贝尔奖,却不见得知道“搞笑诺贝尔奖”;很多人都听过“磁悬浮列车”,但却不见得听过“磁悬浮青蛙”。我们这位海姆,就正是以他对磁悬浮青蛙的研究,获得了2000年的搞笑诺贝尔奖.

搞笑诺奖以怪诞却充满科学意义的研究出名,其实,它不仅仅是一种戏谑和调侃,而是更多地体现了学术界的一种幽默,据说其宗旨是:“首先让你们笑,然后再让你们思考”。搞笑诺奖的得奖者中不乏创意之人,比如海姆就肯定可以算作一个。


海姆教授是至今所有的诺奖得主中,第一位、也是唯一一位同时获得过搞笑诺奖和真正诺奖的双料诺奖获奖者。那么,这磁悬浮青蛙又是怎么回事呢?


上世纪90年代,海姆从俄罗斯获得博士学位之后,曾经一度在荷兰奈梅亨大学作副教授。当时,他所在的实验室最主要的设备优势是强大的电磁铁。这些设备能产生20特斯拉左右的磁场,但是遗憾的是,海姆当时的研究课题仅仅需要小于0.01特斯拉的微弱磁场。不过,这正好激励了海姆的“横向思维”,总想找出一个课题,能够利用到如此强大的电磁场。


望着实验室里那台强磁场的设备,海姆灵感突发:想试验一下水的 “逆磁性”。尽管水的磁化率很小,但在这个强大的磁场下,水有可能被磁化!那么,它磁化后的行为会如何呢?好奇心驱使海姆作了一个异乎寻常、离经叛道的操作。在某星期五的晚上,他傻傻地、慢慢地将一点点水倒进了正在产生巨大磁场的仪器里……如图1-2-2(左)。

1-2-2:强磁场中漂浮着的水滴及其逆磁性原理


结果让人吃惊,水并没有从强磁铁中流出来,而是聚集成了一个直径大约5 厘米的水球,自由地悬浮在磁铁中心,如图1-2-2(中)所示:重力消失了,就像物体漂浮在太空中一样!水这么微弱的逆磁效应,负磁化率H一般约为10-5,却居然可以抵抗重力!海姆兴奋了,像一个顽皮的孩子一样,乐此不疲地继续往磁场里“扔”东西:草莓、西红柿、昆虫……甚至还有青蛙!


正是这只能抵抗重力而悬浮于磁场中“飞翔的青蛙”,让海姆和贝里赢得了2000年的搞笑诺贝尔物理奖。当初,搞笑诺贝尔奖的颁奖方,询问海姆和贝里的意见:是否有胆量接受这个奖?他们爽快地答应了,充分体现了两位物理学家的幽默感和自嘲的勇气。


从这个让青蛙飞起来的有趣实验,海姆认识到横向思考对科研的重要性,特别是在帮助年轻学生选择课题时,激发他们对趣味性的追求,让他们寓科研于娱乐,是十分重要的。有时候,尝试做一些看起来和自己专业八竿子打不着的研究,有可能会产生非常重要而有趣的结果,从那以后,海姆开始做一些不合常规的实验尝试,并且称它们为“星期五晚上的实验”。这就是海姆在科研中的“随机漫步”!

(未完待续)


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