石墨烯传奇-之二

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？

在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 Geim，1958年 -）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。

图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年-）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 Physics）^【4】。

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）。

图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）