“石墨烯之父”：最好的发现来自意料之外

2019年，安德烈·海姆接受《环球科学》的采访，谈论了关于石墨烯及其之后诞生的二维材料。20年前，很多人认为二维材料不可能存在；但随着石墨烯的发现，数百种二维材料如雨后春笋般出现，并且开始影响我们的生活。在“石墨烯之父”安德烈·海姆看来，二维材料的黎明已经到来。

《环球科学》：2008年4月，《环球科学》刊登了由你撰写的《延续摩尔定律的新材料》一文，你在这篇文章中谈到，希望石墨烯制成的晶体管可以延续摩尔定律。现在，11年过去了，你认为我们距离这个目标更近了吗？

海姆：现在，石墨烯不仅仅是当初那一种材料，它代表了一系列性质相似的单层材料。在发现石墨烯的第二年，科学家就相继发现了数十种二维材料。2004年之后的七八年间，科学家的焦点都在石墨烯身上，没有人关心其他二维材料。但现在，石墨烯家族的其他成员正受到越来越多的关注。科学家逐渐意识到，如果石墨烯本身不足以提供制造晶体管开关所需的全部特性（例如能带隙），那其他二维材料也许能起到更加关键的作用。

《环球科学》：你能举个例子吗？

海姆：石墨烯仍有机会用于制造未来的电子线路，但最终延长摩尔定律的，更有可能是它的某个“兄弟”，尤其是属于二维硫族化合物的二硫化钼。这种材料拥有足够的能带隙和高迁移率。

与硅相比，这些二维材料优势明显，它们可以制成柔性、透明的电路。因此，尽管目前还不确定最终用于生产的会是哪些二维材料，但所有人都相信，基于这些新型材料，未来可以制造出功能更强的新型晶体管电路。

《环球科学》：正如你提到的，在石墨烯之外，其他二维材料或将发挥更重要的作用。有研究预测，能稳定存在的天然二维材料有700多种。对于这些二维材料的研究情况如何？

海姆：是的，二维材料的家族非常庞大。我听过的最高预测是，仅仅天然存在的二维材料，就有超过2000种，这还不包括在实验室合成的材料。目前，很多二维材料面临的最大问题是稳定性。很多材料只能在惰性气体的保护下稳定存在，一旦暴露在大气环境中，就很容易与空气中的氧气和水反应，性质发生变化。

另一项挑战在于石墨烯的品质。石墨烯出现后，科学家花了几年时间研究它的性质。大约四五年前，科学家发现可以将石墨烯夹在两层其他物质中，避免与空气接触。这个发现显著提升了材料的品质。最初那些低品质的石墨烯，在今天已经没有人继续使用了。石墨烯品质的提升，意味着新现象的诞生。今天我们研究的很多现象，在低质量的石墨烯中都不可能出现。

因此，全局而言，研究的重点不仅是发现了数百种新的材料，更在于它们潜在的用途。相比于单个材料，我更加期待的是，这些不同的二维材料可以像拼乐高一样结合，搭建全新的三维材料。这些三维材料可以拥有完全不同的性质。目前，这方面的研究还处于实验室阶段。或许在20年内，我们能看到这些“原子乐高”的实际应用。

《环球科学》：既然科学家已经发现了大量性能更加优越的二维材料，现在还需要继续研究石墨烯吗？

海姆：我们已经几乎了解了石墨烯的一切。当我在11年前写那篇文章的时候，对于石墨烯的性质，我们已经了解了99.9%。现在，这个数字无限接近100%。但是，我们仍然需要石墨烯。目前，石墨烯更多是被用作平台，研究那些在其他系统中无法探索的现象，例如超导这样复杂的多体效应。（去年，中国科学家曹原等人发现，超低温下的两层石墨烯以1.1°的夹角叠加时，会呈现出超导性。）

另一个例子是马约拉纳费米子。这种反粒子就是粒子本身的奇异物质，在量子计算领域具有应用潜力。而石墨烯可用作研究该现象的系统，例如石墨烯中存在分数量子霍尔效应。

其他情况下，石墨烯已经研究得很透彻了。现在，全球几百个团队在研究不同的二维材料，希望找到与石墨烯类似的性质。最终，很多人都会回到石墨烯。石墨烯材料的化学性质稳定，并且这种单原子组成的结构很少出现缺陷。这些性质使得石墨烯成为独树一帜的理想系统，很多现象只能在石墨烯上模拟。因此，石墨烯已经成为我们了解这个世界的重要工具。

《环球科学》：你目前主要从事的研究方向是什么？

海姆：2010年以后，我就基本上结束了石墨烯的研究。研究团队的一些成员仍然希望从石墨烯中发现更多有意思的现象，另一些人则希望找到与石墨烯一样有趣的材料，但目前进展不多。我目前的研究除了搭建“原子乐高”，另一个新兴方向是3~4年前开始的“二维空隙”（2D nothing）。

研究石墨烯时，我们可以从石墨中取出一层原子用于研究。而二维空隙反其道而行之：从石墨中抽出一层原子后，余下的石墨中就出现了一层狭窄的空间。对于这个空隙的研究，可以让我们发现有趣的新性质。事实上，由于空隙仅有一层原子的高度，这时的研究已经不是纳米尺度，而是达到埃（10-10米）的尺度了。如果有人在七八年前告诉我存在这样的结构，我会完全不信。但现在，这已经成为现实。

我们可以将气体或水放进二维空隙，观察它们的行为与性质变化。例如，在这个空隙中的水，表现出了介电效应。我们知道，正常情况下，水是极性分子，因此对于大多数物质，水都是绝佳的溶剂；而一些其他液体（例如丙酮）不能用作溶剂，原因正在于其介电常数。我们发现在这样的二维间隙中，水会转变为非极性。

《环球科学》：对“二维空隙”的研究，有什么重要意义吗？

海姆：这项研究的重要性在于，它能帮助我们理解生命过程。生物学家在尝试解释蛋白质的行为时，总是为蛋白质本身建立精准的模型，同时会简单地假设蛋白质被水包围，考虑的也只是水在整体上的性质。但他们忽略了在更小的尺度下，水的性质发生了翻天覆地的变化。将这个因素导入模型，可以实现更准确的模拟。

当人类认识到物质在星系尺度上的运动规律，暗物质和暗能量开始浮出水面；理解纳米尺度的物质运动后，科学家做出了更好的计算机芯片。对于原子尺度的物质行为，我们还不清够楚。但我相信，最好的发现是那些意料之外的发现。我们会继续寻找其他特性。现在已经有一些令人惊讶的结果出现了，例如常温下的量子效应。这时，经典物理将无法描述这个空隙，我们必须寻求其他理论。

《环球科学》：在你看来，石墨烯目前的实际应用情况如何？真正革命性的石墨烯产品出现了吗？

海姆：对于应用，我们需要保持耐心。我们总是被计算机和互联网产业的发展速度宠坏了。但在计算机技术的背后，材料科学家和物理学家需要花费数十年研发其中的硬件。在材料领域，一种材料可能需要二三十年甚至上百年的研究，才能投入应用。以硅为例，早在近百年前，有关硅的研究就已经开始了，但到了60年后，硅才真正用于电子线路。而对于石墨烯，因为它具有高强度、高导电性等优越性能，从实验室研究到用于消费产品，只用了不到10年。这个速度非常惊人，我不确定是否有其他可以类比的材料。

现在，全球的观点是，石墨烯正在向产业界扩散。目前，基于石墨烯独特性能的革命性产品还没有出现，但石墨烯已经被广泛用于提升现有产品的性能。这样的提升可能是几个百分点，可能是几倍之多。据我所知，现有的石墨烯产品已有数十类。例如，它被用于手机的散热系统，使得充电速度提升4倍。而在此之前，手机充电速度的提升非常缓慢。石墨烯已经在市场上立足，并且逐渐深入。

现在，石墨烯就像是锂、铜、金等材料，在生活中随处可见，改善着现有材料的性能。可以说，石墨烯已经非常重要。但我们更加期待的是，基于石墨烯等二维材料，出现真正令我们意想不到、具有变革性的突破。当然，基于现有的经验，我们很难预测这样的突破会是什么，可能它将会源自一次意外的发现。但我们已经站在了二维材料的黎明时期。之前很多人认为这类材料根本不存在，但现在已经有成百上千种材料出现在我们身边。我相信，革命性的二维材料产品最终会出现。

《环球科学》：在现有的石墨烯产品中，有令你感到格外兴奋的吗？

海姆：我个人最感兴趣的，是石墨烯在轮胎中的应用。向橡胶中添加石墨烯后，制得的汽车轮胎更加持久耐用、摩擦力也更大。当然，石墨烯轮胎的性能仍有大幅提升的空间，但我们知道这个问题是有可能解决的。人们需要找到最佳的配方，从而使得轮胎的功能达到最佳。我希望最终性能的提升将是几倍，而不仅仅是50%。这类研究的另一个意义在于，现在面对堆积成山的废旧轮胎，人们不知道怎么处理。在找到轮胎回收方案之前，更加耐用的石墨烯轮胎可以减少废弃轮胎的数量。最终的结果将证明，这些研究的花费是值得的。

《环球科学》：石墨烯的全球市场规模保持着快速增长的势头，你怎样看待全球以及中国的石墨烯市场化进展？

海姆：在我看来，不用过于在意市场规模的数据。据我观察，在过去两三年间，石墨烯产业开始迎来突破点。3年前，很多公司投入大量资金研发石墨烯产品，他们往往抱有很高的期待，但最终效果没有达到预期。现在，越来越多的公司开始实现盈利，而不仅仅是烧投资人的钱。

在石墨烯领域，中国是最早展开协调努力的国家。很多企业和地方政府为此投入资金，据我所知，今年或者明年，很多企业将实现盈利。目前，中国在石墨烯产业处于世界领先的地位，而欧洲和美国也在紧追不舍。一些欧美企业已经研发出了很先进的技术。例如前面提到的散热技术，除了手机散热，石墨烯也被汽车企业用来提升散热性能。去年，美国福特公司就将石墨烯应用于汽车的塑料部分，以提高导热能力。他们还宣布，将在汽车的所有塑料及橡胶部分添加石墨烯。

当然我们应该看到，当前的很多研究并非基于科学的方法，人们只是向材料中添加石墨烯，观察会发生什么变化。这就像是碰运气，有时可以发现优良的性能，很多时候却会无功而返。现在，我看到一些大学教授开始转投产业界。他们放弃了终身教职，进入企业开展石墨烯产品研发，因为他们嗅到了商机。这样的变化，可以说是石墨烯产业发展最好的证明。

《环球科学》：我们注意到，你与中国的一些研究机构与企业也展开了合作。可以介绍你在中国的研究情况吗？

海姆：是的。作为科学家，我的合作主要是在基础研究领域。我想，我可以在这些研究中作出贡献，包括不同二维材料的组合，以及之前谈到的二维空隙。几个新课题正在进行，其中一个是用石墨烯制作“质子筛”，这种材料只允许质子通过，在同位素分离等场景中具有应用潜力。

我和深圳的石墨烯研究中心也有合作，每年我会多次前往深圳，与那里的研究人员进行研究合作，共同发表论文。有趣的是，我关注的是基础科学，而他们致力于石墨烯的应用。因此，这形成了良好的反馈：我用我的基础科学知识帮助他们，他们可以告诉我，这些知识的应用情况。

《环球科学》：最后一个问题，你喜欢阅读科幻作品吗？

海姆：当然。科幻，尤其对于青少年而言，是非常重要的探索工具。如果我小时候没有阅读伊萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）等科幻作家的作品，可能我就不会对科学产生兴趣，也就没有今天的我。优秀的科幻作品可以激发读者对物理、数学、工程等学科的热情。

现在，我读的科幻作品不多，但我会关注那些包含人性元素的作品，例如《银河系漫游指南》。这样的作品包含一定的科幻元素，但更多的是对于复杂的人类关系的思考，我很乐意再读一遍。所以在我看来，科幻是一种可以让人类变得更好的科学梦想。

本文来自《环球科学》2019年12月刊《安德烈·海姆：最好的发现来自意料之外》一文