諾貝爾獎得主海姆曾讓青蛙在磁場中飛行

如果你有興趣研究一下桌上的鉛筆和透明膠帶，那麼你也許有機會非常接近諾貝爾獎。

昨天，本年度諾貝爾物理學獎揭曉，來自英國曼徹斯特大學的安德烈‧海姆和康斯坦丁‧諾沃肖洛夫分享了1000萬瑞典克朗的獎金。6年前，他們在世界上首次分離出全世界最薄的材料──厚度只有一個碳原子直徑的石墨烯，從而開創出一個嶄新的研究領域。他們制備石墨烯的方法，正是用透明膠帶，以及和鉛筆芯的主要成分──石墨。整個過程看起來相當原始，但隨後，一系列驚人的事情發生了。

　　
最薄的，最強的-
石墨烯應該比你能想像到的最薄的東西還要薄得多。一層石墨烯厚度只有0.3納米，也就是說，如果能用石墨烯取代紙張來印書，那麼一本《新華字典》那樣厚的書，就會有100億頁。

這麼薄的材料，強度卻異常驚人。假使做出一層像保鮮膜那樣厚的石墨烯薄膜，覆蓋在茶杯口，要想用一支鉛筆去刺穿它，那麼鉛筆的另一頭必須站一頭大象。

聽起來，以上這些描述都超出了普通人的思維。不僅如此，直到海姆和諾沃肖洛夫首次分離出石墨烯之前，許多科學家都不相信世界上真的存在一種只擁有一層原子結構的材料。此前，根據物理學原理，科學家們認為，只有一層原子的材料非常不穩定，但海姆和諾沃肖洛夫卻對“不可能”發起了挑戰。

正如前文所述，他們的方法非常原始──將石墨粉粘在兩層透明膠帶間，然後將膠帶扯開。由碳構成的石墨，其微觀結構是層狀的，就像一本因為受潮而使頁面互相粘連的書。扯開膠帶，石墨粉也會被同時剝開，分別粘在兩塊膠帶上。將這個過程重複多次，那本“受潮的書”最終被分離出了一頁。這一頁，就是石墨烯。

在顯微鏡下，一片石墨烯就像是一片“鐵絲網”，每個孔都是六邊形，每個六邊形的頂點是一顆碳原子；碳原子間以穩定的化學鍵相連，使得這片“鐵絲網”非常強韌。由於多孔，石墨烯是透明的。同時，它擁有很好的導熱和導電性能，其導熱性是目前已知材料中最高的，而導電性能超過了銅。

也許有人會問，為什麼石墨烯這麼強韌，鉛筆卻這麼軟呢？實際上，石墨烯雖硬，但層與層之間卻很松散。鉛筆在書寫時，會有多層石墨烯剝落下來，粘在紙上，形成了筆跡。因此可以說，每一道鉛筆印，都包含著幾層(也許是幾百層)石墨烯。運氣好的話，其中甚至真的可能存在一小塊的單層石墨烯。事實上，在海姆和諾沃肖洛夫創造出“膠帶法”之後，有科學家的確開發出了一種特殊的“納米鉛筆”，用這種鉛筆書寫，也能分離出石墨烯。

　　
“桌上的粒子對撞機”
物理學之美，往往在於其能將最複雜的理論融匯于最簡單的形式中。海姆和諾沃肖洛夫的發現，則讓對基本粒子的研究變得異乎尋常的簡單。

由於石墨烯是目前僅存的只由一層原子構成的材料，因此它是研究基本粒子特性的絕佳“試驗床”。在石墨烯的諸多特性中，有一個是它的電子能以接近光速的速度移動，這以前只在科幻小說中描述過，但正是它的這個特性，使得科學家們能更加容易地來研究相對論。而此前，相對論研究往往要借助天價的粒子對撞機，或是通過觀測宇宙中的巨大天體。

石墨烯的價值，當然遠遠不限於理論研究，在實際應用方面也有極大潛力。

在微電子領域，單層石墨烯進行各種化學和物理處理後，它可以被製成最小的集成電路；目前，以硅為基礎的半導體材料，其尺寸已經逐漸走到了極限，要再進一步，開發出更快、更低功耗的超級計算機，石墨烯是很有希望的一個方向。

在光電領域，學界正嘗試通過它來製作新型顯示設備。華東師大教授、納光電集成與先進設備實驗室主任孫卓告訴記者，他們已在實驗室里開發出了一種4英寸的石墨烯顯示器，厚度只有4毫米，功耗很低，響應速度很快。

此外，將石墨烯摻雜在塑料、陶瓷等材料中，可以制備出高強度、同時又能導電的新材料，並用於製作新一代太陽能電池、超級電容等新能源裝備。

孫卓告訴記者，正是因為石墨烯能對多學科究產生出輻射效應，自從2004年海姆和諾沃肖洛夫分離出石墨烯以來，這方面的研究始終是最熱門的領域之一。《科學》雜誌上，海姆和諾沃肖洛夫對石墨烯基本特徵的論文，被全球科學家大量引用。這些成就的取得，使得諾貝爾獎罕見地頒給了一項“年僅6歲”的成果。

不過，目前科學家們還無法制備出大尺寸的石墨烯，多數供研究用的石墨烯只不過是微米尺度的。考慮到石墨烯如此朝氣蓬勃，未來10年，石墨烯研究應該會受到持續關注，並不斷走向成熟。

　　
好奇心的價值-
在本年度諾獎公布之後，人們發現，安德烈‧海姆成為有趣的“雙料諾獎”得主。10年前他因為讓青蛙在磁場中飛行而曾獲得了“搞笑諾貝爾獎”。

今年52歲的海姆和36歲的諾沃肖洛夫都生于俄羅斯，在來到曼徹斯特大學之前，兩人就以師生關係在荷蘭的奈梅亨大學工作。海姆是荷蘭籍，而諾沃肖洛夫則是英俄雙重國籍。

海姆無疑是一個充滿奇趣想法的“科學怪傑”。在以“frog(青蛙)”和“fly(飛行)”作為關鍵詞搜索，不難可以找到那段青蛙飛行的視頻──青蛙在強大的磁場下懸浮起來，完事後，照樣可以到田間抓蚊子吃。這個有趣的實驗演示了電磁學的一個經典原理，如今已被收入國外的大學物理課本。

不僅是讓青蛙飛起來，海姆還曾模仿壁虎爪子的結構，研究出一種特殊的材料，裝備上這種材料做成的手套和外衣，人可以吸附在光滑表面，從而成為“飛簷走壁”的蜘蛛俠。

複旦大學物理系教授、中科院院士王迅對記者表示，事實上，飛行青蛙和石墨烯的研究屬於不同領域，其間唯一的關聯就是好奇心和探索的樂趣。擁有這般性格和科學精神的學者能獲諾獎，本身就值得深思。 (北京新浪網 /張懿)