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用胶带“粘”出的诺贝尔奖

来源:未知   作者:admin    发布时间: 2021-07-16 22:16   浏览:

用胶带“粘”出的诺贝尔奖

  北京时间10月5日下午5点45分,本年度诺贝尔物理学奖被授予英国曼彻斯特大学的两位科学家——安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。两位获奖者均为俄罗斯裔,因在“二维空间材料石墨烯方面的开创性实验”而获奖。其中诺沃肖洛夫只有36岁,两人从发表相关工作到获奖也仅用了6年,他们的“年轻化”与“快”被科学界热烈讨论。

  很多人戏称,“想得诺贝尔奖不仅得有重要发现,还要活得久。”这是因为大多数科学成就从发表到评奖,都需等待一二十年甚至更久。但海姆和诺沃肖洛夫的主要工作在2002至2003年间完成,2004年10月,他们在美国著名的《科学》杂志上发表相关论文,宣告石墨烯问世,之后仅用6年就问鼎诺贝尔奖,杰作石墨烯的重要性可见一斑。

  石墨烯即“单层石墨片”,是构成石墨(铅笔芯的主要成分)的基本结构单元。从晶体结构上看,石墨烯是一种以碳原子组成的六边形晶格向空间无限扩展的体系,这些六边形边长0.142纳米(1纳米是1米的十亿分之一),这意味着20万片石墨烯叠加才可与人类的一根头发相比。

  很多层石墨烯通过一种弱的静电作用——非键相互作用而相连,形成石墨。令人难以置信的是,单原子厚度(0.335纳米)的石墨烯从软绵绵的石墨中脱身后,成了目前室温导电速度最快、力学强度最大、导热能力最强的材料。

  石墨烯其实并非被首次发现,而是被首次“发明”。早在1947年,加拿大物理学家菲利普·华莱士就从理论上预测了石墨烯的存在。上世纪60年代,科学界已认识到这种结构确实是存在的,并从理论上部分预测了这种材料的电学、力学性能,只是这种“梦想中的材料”在很长时期内只存在于数学公式中。后来人们运用现代技术手段,终于“剥”出了数十至数百层厚的薄层石墨,但要分离出单原子厚度仍被很多人认为是不可能的。

  海姆的做法堪称质朴,他把石墨分离成碎片,从中剥离出较薄的石墨薄片,然后用胶带粘住薄片两侧,撕开胶带,让薄片随之一分为二。不断重复这一过程,得到的石墨片就越来越薄,直到达到当时的最薄厚度:10层左右的石墨材料。这时,诺沃肖洛夫在电磁学测量方面的强项派上了用场,两人合作,不久就得到了梦寐以求的石墨烯。

  在制备石墨烯的过程中,海姆和诺沃肖洛夫的研究小组曾面临激烈竞争,他们取得成功的关键除了灵光一现,还有好运气。用胶带使石墨变薄可不是海姆首创,美国得克萨斯大学奥斯汀分校的罗德尼·罗夫教授及其研究小组在1999年就已提出。罗夫教授可能在多年前就已剥离出了石墨烯,但遗憾的是他没有找到合适的检测方法,因此没能抢下首功。而海姆和诺沃肖洛夫的研究小组用电磁学方法,彻底确认了只有一个单原子层的石墨烯的存在。

  就像一群寻宝人展开竞赛,尽管有人找到了藏宝地,却不知脚下就埋着价值连城的宝贝,因此错过了绝好机会。

  在诺贝尔奖官方网站上,你能找到海姆的另一项有趣的工作“飞翔的青蛙”,也就是用磁场克服重力,让一只青蛙漂浮在半空中。2000年,海姆因这项工作与英国著名物理学家迈克尔·贝瑞(量子物理和量子化学中“贝瑞相”的提出者)共同获得了“搞笑诺贝尔奖”。

  中国科学院金属研究所磁性材料及磁学研究部主任张志东曾在其博客中,对石墨烯的检测原理做了个有趣的类比——实际上,海姆和诺沃肖洛夫就是把磁场中“飞翔”的青蛙换成了疑似石墨烯,并在磁场测量了其量子霍尔效应(指当电流通过一个位于磁场中的导体时,磁场对导体中的电子产生一个横向的作用力,从而在导体两端产生电压差)以验明“正身”。两人独创的测量方法与他们汪洋恣肆的想象力分不开。

  除了量子、电磁场、原子、化学键等高深物理学理论,石墨烯还给我们带来了什么?按瑞典皇家科学院的说法,石墨烯将推动新型材料的研发,让我们的电子产品再迎来一场革命。“由于它基本是透明的,而且有极好的导电性,石墨烯很适合制作触摸屏、轻型显示屏,甚至太阳能电池。”

  海姆和诺沃肖洛夫当初只能制备截面宽约0.1毫米、用显微镜才看得清的石墨烯薄片,但在科学界的努力下,如今这一数据已增加到70厘米。研究人员希望有一天能像冶金那样大规模、工业化地制备石墨烯,使它的各种优良性能被派上用场。

  石墨烯被认为可能是下一代电子工业革命的开路先锋。目前集成电路晶体管普遍采用硅材料制造,当硅材料尺寸小于10纳米时,用它制造出的晶体管稳定性就会变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管,而且高度稳定,即使被切成1纳米宽的元件,导电性也很好。因此,石墨烯被普遍认为会最终推翻硅的地位。

  石墨烯只有一个原子厚,这听起来像“一拉就断”,但它确实是世界上最薄、强度最大的材料,这种优良性能从一开始就被注意到了。据英国《新科学家》杂志网站报道,美国航天局曾在2005年悬赏400万美元,寻找一种足够坚韧的材料以制造长达3.7万公里的缆线,最终搭建一座直通宇宙的“太空电梯”。很多人不假思索地想到了石墨烯,因为只有这种“撕不碎的原子层”才能达到太空电梯所要求的超高强度。

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