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石墨烯诺奖得主的中国情缘

发布时间:2018-11-23 11:30:10   来源:    浏览次数:306

◎本刊主笔 刘国伟

【10月25日,北京石墨烯研究院揭牌成立。让人感到振奋的是,2010年诺贝尔物理学奖获得者康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Kostya Novoselov),应邀担任北京石墨烯研究院名誉院长。康斯坦丁是石墨烯研究领域的传奇人物,说起来,他与中国还真有不浅的缘分。】

撕出单层石墨烯 师徒分享诺奖 石墨烯诺奖得主的中国情缘

2011年,用来制成首片石墨烯的胶带被安德烈和康斯坦丁捐给了诺贝尔博物馆。

单层石墨烯一度“徒有虚名”

2010年12月,康斯坦丁·诺沃肖洛夫与其老师英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆因为“在二维石墨烯材料的开创性实验”,一起获得2010年诺贝尔物理学奖。那么,这两位科学家在石墨烯领域为什么能够取得突破?

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安德烈·海姆在2010年12月受颁诺贝尔物理学奖。

从19世纪中叶起,不断有科学家开始关注到石墨结构的特别之处,并从各方面开展研究。1947年,加拿大理论物理学家菲利普·华莱士首次探索了石墨烯的理论。随着科学家们在电子显微镜下观察到层叠在一起的石墨薄片,如何通过化学剥离获得单层石墨烯的问题,就提上了科学界的日程。1986年,3位科学家造出了石墨烯(graphene)一词,它是由石墨(graphite)的前5个字母和一个表示烯类物质的后缀(-ene)构成。

虽然有了自己的名字,但是石墨烯当时仍是一种假设性的结构,因为在自然界中它无法稳定地单独存在。在很长时间里,科学研究止步于多层石墨烯组成的污泥状物质。只有成功地在实验中从石墨中分离出单层的石墨烯,才能证实它可以单独存在。通过机械剥离,制造更薄的石墨结构的努力在上世纪90年代就开始了,但是科研人员劳而无功,因为加工到几十层结构的时候就难以继续推进了。由于苦求单层石墨烯而不可得,科学界甚至有人开始怀疑单层石墨烯是否真的存在。

2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫独辟蹊径,用一种匪夷所思的方法制出了单层石墨烯结构,此举惊动了当时的科学界。他们是怎样做到的呢?

用胶带撕出来的石墨烯

安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫两人的成功离不开天时地利人和,但更离不开他们坚持不懈的努力。

所谓天时,是指研究界在石墨烯的制备方面已经做了相当长时间的摸索,走过无数条的死胡同,也为后来者提供了许多有用的信息。所谓地利,是指曼彻斯特大学为两人的研究提供了高分辨率的仪器设备,使精通低温扫描隧道显微镜的工作人员,可以从原子级别看到石墨烯的晶体结构。所谓人和,是指两人富有特色的合作模式“周五之夜”。他俩经常在周五的晚上尝试不同的实验方法,虽然这些实验与自己的日常工作未必有直接关系。这种头脑风暴激发下的没有思想包袱的尝试,最终打动了幸运女神。

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课堂上的安德烈·海姆

2004年的一个星期五,两位科学家从石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。如此不断地反复操作,石墨薄片变得越来越薄。最后他们在显微镜下观察到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是几代人苦求不得的石墨烯。

两人迅速将研究成果整理成论文投给了英国《自然》期刊,但《自然》拒绝发表。两人转而把论文投给了美国的《科学》杂志,《科学》杂志如期发表了他们的成果。可见,从实验过程到发表成果,这期间如果在某个环节上被卡住,如此巨大的荣誉也许就会花落别家。成果问世后仅仅6年,两人就获得了诺贝尔奖,从出成果到拿诺奖的时间之短,这在诺奖历史上是非常罕见。

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诺贝尔奖得主安德烈·海姆和康斯坦丁(右)的休闲时刻。

老师:十年两次获“诺贝尔奖”

安德烈·海姆1958年生于苏联索契(今属俄罗斯),有德裔血统。据他本人讲,德裔血统让他受到歧视,曾经导致他两次求学受挫。一番周折后,他于1987年在俄罗斯科学院取得博士学位。随后,他到荷兰和英国从事科研工作,从此离开了俄罗斯。这一经历不仅使他最终把事业发展地定在英国曼彻斯特,获得了荷兰和英国国籍,而且还在荷兰奈梅亨遇到了一位优秀的学生,也就是后来同获诺奖的研究伙伴康斯坦丁·诺沃肖洛夫。

身为一名优秀的物理学家,安德烈·海姆“保持好奇”的特质也许是最让人印象深刻的。为人们津津乐道的是,早在2000年,安德烈·海姆就因为“悬浮青蛙”试验获得过一次“搞笑诺贝尔奖”。原来,海姆的实验室里,有一台能产生强大磁场的设备。海姆曾经别出心裁地把水、水果乃至青蛙扔进去,结果发现被丢进去的物体和青蛙都能悬浮。海姆也因此获得2000年的搞笑诺贝尔奖。10年后,海姆“再次”荣获诺奖,从而成为迄今唯一既获得“搞笑诺贝尔奖”,又获得真正诺贝尔奖的科学家。

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“悬浮青蛙”试验让安德烈·海姆获得了2000年的“搞笑诺贝尔奖”。

提起两次获奖经历,2013年海姆说出了自己的内心感受:“坦率地说,对‘搞笑诺贝尔奖’和真正诺贝尔奖我是同样重视的,一点自我贬损总是有益的。”

徒弟:艺术才子的中国情缘

康斯坦丁·诺沃肖洛夫1974年出生于苏联乌拉尔山地区的工程师和教师家庭。这位70后的成长环境中有着浓厚的技术氛围,他从小就喜欢拆卸零件和做实验。康斯坦丁取得的成就和自己的辛勤努力密不可分。《环境与生活》杂志记者从全球著名的多学科学术研究社区网站researchid.com上了解到,截至本文发稿,康斯坦丁共发表了336篇经过同行评议的论文;从2007年到2014年,康斯坦丁的论文被引用率一直高居全球科研人员第一梯队。从他的年龄来看,能做出如此数量的高质量研究成果无疑是十分惊人的。

不过,这位年轻诺奖得主的艺术才情丝毫不逊于其科学成就。2015年2月,曼彻斯特惠特沃斯美术馆开幕时,他在场馆中展示了个人美术作品,他还对科学家和艺术家之间的联系谈了自己的看法:“二者必须通过天才的实验或想法来揭露最有趣的现象。之后二者必须有所不同:因为科学家开始研究许多现象之间的共性来描述最普遍的规律,而艺术家可能会尝试研究个体而不是整个人群。但我们只是同一枚奖牌的两面。”

康斯坦丁荣誉等身,他获得了曼彻斯特市荣誉自由勋章、英国帝国骑士勋章和荷兰狮骑士勋章。但最让《环境与生活》记者印象深刻的是他的中国情缘。

2015年10月23日,中国国家主席习近平参观曼彻斯特大学国家石墨烯研究院时,听取了安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫对石墨烯研究情况的介绍。英国物理学会旗下的《物理世界》杂志网站称,这次活动还有一个花絮,康斯坦丁向习主席赠送了自己的一幅画作。

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2015年9月,在英国利兹大学举办的“中国外交官眼中的不列颠”艺术展中,康斯坦丁当众挥毫作画。

2017年,康斯坦丁有5幅画作参加了维也纳当代艺术博览会,有风景画,也有传统的花鸟鱼虫画。在画作上,他还留下了“科思厗(tí)厓(yá)”的汉字落款,这4个字是他的汉语名字,应是他名字昵称“Kostya”的音译。

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  • 2014年11月,康斯坦丁夫妇应中国驻曼彻斯特总领事李永胜之邀做客总领事馆,康斯坦丁(左)与自己的中国画老师——厦门大学艺术学院的郑盛龙教授共同创作了中国画《梅兰竹》。

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康斯坦丁的一些中国画作品

(本文参考了曼彻斯特大学、BBC、物理世界杂志等网站的信息,在此一并致谢。)

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责编:郑挺颖

网编:吴燕芳