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“异想天开”的奖赏 精选

已有 12457 次阅读 2010-10-18 08:25 |个人分类:财新传媒环境科技|系统分类:人物纪事

“异想天开”的奖赏

在石墨烯的开创性研究中,还有两位中国人的故事值得一提。其中一位是盖姆的中国博士生,他与石墨烯的发现失之交臂;另一位是在这一领域做出了重要贡献的张远波,他与韩裔导师金必立(Philip Kim)的组合,以及诺沃谢洛夫与盖姆的组合,各自独立地发现了石墨烯新的物理特性。

本文来源于《新世纪》周刊 2010年第40期 出版日期2010年10月11日

《新世纪》周刊 记者 于达维

种人们日常生活中常见的用品,被一对师徒巧妙地变成了有史以来最薄和最坚强的材料。这种材料有可能成为硅的替代品,带来下一次电子工业革命。看似走到尽头的摩尔定律,或许要靠其来延续。

  10月5日,英国曼彻斯特大学科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃谢洛夫(Konstantin Novoselov)成为2010年诺贝尔物理学奖得主。盖姆52岁,诺沃谢洛夫只有36岁,他们在石墨烯材料研究方面做出了突出贡献。

  在石墨烯的开创性研究中,还有两位中国人的故事值得一提。其中一位是盖姆的中国博士生,他与石墨烯的发现失之交臂;另一位是在这一领域做出了重要贡献的张远波,他与韩裔导师金必立(Philip Kim)的组合,以及诺沃谢洛夫与盖姆的组合,各自独立地发现了石墨烯新的物理特性。

严肃的游戏

  石墨烯是厚度只有一个碳原子的单层石墨。这种几乎透明的材料,强度非常高,导电性也非常好。长久以来,科学家们一直认为这种纯粹的二维晶体材料无法稳定存在,制备石墨烯的尝试也均以失败告终。

  吉林大学物理学院教授郑以松对本刊记者说,前苏联力学泰斗朗道曾经提出,在有限温度下,任何二维的晶格体系都是不稳定的。因此,虽然1947年就有人提出石墨烯可能有许多特殊的物理特性,但很多资深物理学家和研究组织都不朝这个方向努力。

  2004年,盖姆和诺沃谢洛夫等人首次发现石墨烯,并将其研究论文发表于美国《科学》杂志。这篇论文还有中国人的署名,但并不是最重要的通讯作者(研究课题负责人)和第一作者。

  瑞典皇家科学院提供的介绍材料将盖姆和诺沃谢洛夫的发现总结为一种“严肃的游戏”,因为他们一开始完全是以游戏心态着手研究,只是在一系列巧合之中看到曙光后,才变得“严肃”起来。

  诺沃谢洛夫两年前接受汤森路透集团旗下网站ScienceWatch.com采访时介绍,盖姆的研究小组有个习惯,就是把10%的时间用在异想天开的实验,每个星期五晚上他们都要做这样的实验。

  这些疯狂的实验,很多都没有什么结果,但是一旦有了发现,就可能是突破性的。盖姆曾经让青蛙在磁场中悬浮,像变戏法一样变出“飞翔的青蛙”。这项研究为他带来了2000年的 “搞笑诺贝尔奖(Ig Nobel Prize)”—一个由美国非官方人士评选的谐趣丛生的“奖项”,通常在诺贝尔奖公布之前颁奖,颁奖地点为哈佛大学桑德斯剧场。颇具娱乐精神的盖姆,当时亲自到场领奖。

  石墨烯的实验,也是星期五晚上实验中的一个。根据盖姆对前述网站的介绍,这个疯狂实验最初交给一位新来的中国博士生,他买了一大块高定向裂解石墨,让这位博士生在一台很好的抛光机上研磨,越薄越好。三个星期后,博士生跑来说成功了。但实际上,获得的石墨片仍然厚达10微米,相当于1000层。

  盖姆问:“你能否再研磨得薄一点?”博士生说,需要另一块石墨。这得花300美元。而盖姆在解释不必磨掉整块石墨时,语气不太好。中国博士生回了他一句:“你够聪明的话,不妨自己试试。”

  这是一次令盖姆记忆深刻的对话。盖姆几乎要放弃这个实验,但他坚持下来了,并让助手康斯坦丁·诺沃谢洛夫接手。

  他们决定用透明胶带来试试。之所以想到透明胶带,是因为研究小组当时引进了一位技术员来搭建低温扫描隧道显微镜,而这位技术员清洁石墨样品表面的方法就是用透明胶带把石墨表层粘掉。这提醒了他们,如果不断地粘起、撕开,就可以得到更薄的薄膜。

  即便得到了薄膜,还必须找到一种合适的衬底,用来盛放石墨烯。复旦大学物理系教授张远波告诉本刊记者,盖姆的小组用的硅片衬底上刚好有一层自然形成的300纳米厚的氧化硅,在上面放石墨烯,正好可以用肉眼通过显微镜看到。

  “这是最大的诀窍。用胶带来解理石墨的技术很早就有了,关键是要找得到,因为单层薄膜出现的概率很小,一大片放在上面,只有一小块是单层的,如果可以用肉眼找,就很快可以找到。”张远波说。

  这种方法被叫作透明胶带技术。一开始盖姆觉得这个名字太土,显得不那么高明,但是当他想到制造纳米管的技术也叫作“烤肉技术”的时候,就接受了这个名字。虽然后来出现很多制造石墨烯的复杂技术,但透明胶带技术为这一切提供了可能。

  张远波和他在美国哥伦比亚大学的韩裔导师金必立,从2002年开始这方面的研究,当时他们并不知道盖姆的小组也在做类似的事情。他们的方法是,做一个很小的石墨纳米铅笔,铅笔头直径大约1微米-2微米,然后在硅片衬底上“写”,“写”出来的石墨薄膜最薄到30层左右。这时候,已经出现了一些新的物理现象。

  2005年,盖姆研究小组在英国《自然》杂志发表第二篇论文,介绍石墨烯的新物理特性。在同一期杂志上,发表了张远波作为第一作者、金必立作为通讯作者的类似论文。这两篇论文后来引领了全球对石墨烯的研究。

  在瑞典皇家科学院提供的石墨烯科学背景材料中,张远波和金必立等人的那篇论文名列参考文献第三位,前两位则是盖姆研究小组的论文。

  有人感叹,这次诺贝尔奖未授予金必立研究小组并不公平。张远波则表示,不能说诺贝尔奖偏心,只能说盖姆和诺沃谢洛夫的运气更好。“他们完全值得这个奖,如果说考虑第三个人,金必立应该是在他们两个之外贡献最大的。”

早到的诺贝尔奖

  根据半导体业著名的摩尔定律,芯片的集成度每18个月至2年提高一倍,即加工线宽缩小一半。但硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽。提出该定律的摩尔本人公开表示,十年后摩尔定律将很难继续有效。

  石墨烯的出现或将令摩尔定律得以延续,用它替代硅材料制造的晶体管,也有望为研制新型超高速计算机芯片带来突破。目前盖姆的小组已开发出10纳米级可实际运行的石墨烯晶体管,并且在研制由单原子组成的晶体管。

  此外,作为高强度、高导电性的超轻材料,从柔性电子产品到智能服装,从超轻型飞机到防弹衣,甚至未来的太空电梯都可能用石墨烯为原料。目前,IBM已经制作出一种高频石墨烯晶体管,韩国三星公司等研究人员则制造出了由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。

  科学家在做出值得获诺贝尔奖的工作之后,通常要等上一二十年,甚至三四十年才会获奖。盖姆和诺沃谢洛夫六年前的研究就能获奖,出乎大多数人的意料。

  一直从事新材料理论研究的中国人民大学物理系教授卢仲毅对本刊记者说,从最近几年的趋势上看,诺贝尔奖从关注基础研究转向关注实用性贡献,比如对硬盘、CCD、光纤应用做出贡献的科学发现。但他刚听到这个消息时,也觉得比较出乎意料,因为这种方法非常简单,好像与诺贝尔奖的神圣感不好联系起来。仔细想想也能接受,虽然物理上没有大的突破,但贡献非常大。“这种方法证明了材料可以稳定存在,真要到使用阶段,必须有大规模生产的方法。找到了方法,造出实在的新一代器件,极有可能再次获奖。”

  南京大学物理系教授王伯根则对本刊记者表示,这次颁奖其实有很多争议,他个人也觉得早了一点。这个发现对物理学的促进不是很大,石墨烯也还没有广泛应用,其实物理学研究还有很多很重要的工作值得获奖。

  张远波说,自从2004年发现石墨烯,以及2005年发现石墨烯新的物理现象后,这个领域呈现爆炸性增长,现在还没有饱和迹象。“但是,就我的感觉,今年颁奖还是有点早。能不能应用,范围有多大,要真正有产品才能断言。IBM、三星目前做出的样品,也都是实验性的。现在主要是表彰他们在材料上的发现,而不是应用上的突破。”

  卢仲毅表示,此次诺贝尔物理奖对中国科研体系影响会很大,西方教育和科研氛围,“允许异想天开,允许失败,这个氛围在中国还是比较缺乏的。”

  在接受ScienceWatch.com采访时,盖姆有这样的表述:“我的风格确实与众不同。我不深挖,只是浅尝。从做博士后开始,我每过五年左右的时间就换一个学校,换一个领域。我不想把一种研究从摇篮进行到坟墓。我经常说,我没兴趣做重复寻找的研究(re-search),我只是寻找(search)。”

  不过,盖姆在石墨烯研究上不会再浅尝辄止,因为这个领域要探索的可能性太多,只有把所有有趣的东西都探索一遍的时候,他才会改变方向。

  诺沃谢洛夫则表示,科学应该是有趣的,没必要总是为了抢到科研的最前沿,做一些需要上千万美元的昂贵实验。

  盖姆和诺沃谢洛夫都来自俄罗斯。诺沃谢洛夫在荷兰奈梅亨大学攻读博士时,盖姆正是他的导师。盖姆转到英国曼彻斯特大学工作后,诺沃谢洛夫也追随这位“玩心”甚重的导师。盖姆拥有荷兰国籍,同时受聘于英国曼彻斯特大学和荷兰奈梅亨大学。诺沃谢洛夫则拥有英国和俄罗斯双重国籍。

  在获悉两位俄罗斯裔科学家获得诺贝尔奖后,俄罗斯总统梅德韦杰夫当天批评政府没有在年轻学者毕业后向他们提供有吸引力的条件,导致人才流失。“我们需要努力,这样我们的天才才不会出国。”



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