物理
当前位置:继教网首页 >> 学科频道 >> 物理 >> 学科资讯 >> 查看文章
2010诺贝尔物理学奖得主:世界最薄碳片是如何被发现的
  作者:学科专家  发布时间:2010-11-05

作者:未知

     科学家们用诗一般的语言来描述这种新材料的奇异性质:它像塑料一样柔软却比钻石更坚硬,它能像金属一样导电但又像玻璃一样透明,它的导电性能超过任何已知的材料,而且,它有相当好的致密性,即使最小的气体原子氦也无法穿过!嗯,它会有无限的应用前景。

  2004年一个星期五的夜晚,在英国曼彻斯特大学的一间物理实验室,两位物理学家想得到一种最薄的石墨层。他们几乎赤手空拳:像铅笔芯一样的石墨、透明胶带、显微镜,当然,还有他们的手和大脑。

  他们用透明胶带从石墨上粘贴、剥离出薄片,然后用胶带在薄片上再反复粘贴、剥离20至30次,直到它们越来越薄;之后,将这些薄片放到氧化硅基板上,用原子力显微镜观察,他们发现了单层石墨薄片:一张厚度只有原子大小的单层网,每一个网络都是一个完美的六边形,每个网格节点都是一个碳原子;而且,这种薄片还有特异的电子学和力学性能。啊!这是一种全新的材料——一张大自然编织的美丽、神秘的网!

  他们将之称为单层石墨片或石墨烯,因为节点上的碳原子都是通过碳—碳双键链接。

  6年后,瑞典皇家科学院决定将2010年诺贝尔物理学奖授予这两位物理学家:安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,表彰他们在二维材料石墨烯方面“突破性的实验”。

  两个人的故事

  “当你们认为我们是在做物理时,实际上我们不是,我们在做科学,这意味着我们有太多的兴趣,比任何物理学特定的领域或物理学本身都宽得多。”——康斯坦丁·诺沃肖洛夫

  两人均出生于俄罗斯,毕业于莫斯科理工大学,并在莫斯科开始其物理学研究。他们从荷兰开始合作,至今长达12年。

  安德烈·海姆今年51岁,荷兰国籍,1987年在俄罗斯科学院固体物理研究所获得博士学位,现为英国曼彻斯特大学介观科学和纳米技术中心主任、朗沃席物理学教授、英国皇家科学院2010年度研究教授。

  诺沃肖洛夫今年36岁,拥有英国和俄罗斯双重国籍,2004年在荷兰奈梅亨大学获得博士学位。现任曼彻斯特大学教授和英国皇家学会研究会员。

  在研究界,海姆像一个漫游者,从俄罗斯漫游到荷兰,再到英国。他说:“对我而言,年复一年地做同样的事非常无趣,因此,无论我们在做任何特定研究,我总是同时寻找还可能做的事。”

  在荷兰时,海姆邀请诺沃肖洛夫来奈梅亨大学攻读学位,他不是诺沃肖洛夫的博士生导师,但两人的合作却从此开始。

  “你看他是多么的好!”海姆在接受诺贝尔奖基金会网站采访时说,“所以,当我离开荷兰时所做的第一件事就是邀请他作为博士后到英国来,尽管他当时还没有获得博士学位。我们的合作一直持续到现在,12年了。我不认为一位博士生和正教授之间有多大差别,只要努力且有效率地工作,所有人的都是同事,也值得尊重,我们没有争执,将来永远也不会有争执,他是少数几位我真正高兴与之共享工作时间的人。”

  诺沃肖洛夫表示:“安德烈是一位神奇的物理学家,坦诚地说,我从他身上学到很多东西,我对物理学的所有知识基本上都是从他那里学来的……当你们认为我们是在做物理时,实际上我们不是,我们在做科学,这意味着我们有太多的兴趣,比任何物理学特定的领域或物理学本身都宽得多,因此,我们试图对每件事都保持兴趣,而且最重要的是要有趣。所以,安德烈引入了星期五夜实验的惯例。在那里,我们会做令人着迷、发狂的事,有时候会有结果,有时候没有。石墨烯就是其中一个结果。”

  星期五晚上的实验

  那个晚上的发现,在科学界激起了千层浪花,经久不衰。

  两人对石墨烯的工作源自他们想研究石墨的电子学特性。

  作为地球上所有生命的基础,碳是元素周期表中最神奇的一种元素。从柔软的石墨到坚硬的钻石,碳有几种不同的存在形式,石墨是其中最普遍的存在形式,由一层层的网状碳薄膜堆积而成。

  早在20世纪40年代,物理学家P.R.Wallace已经在理论上研究过石墨烯,预言因其结构带来的特殊电子学性能。60年代,科学家们已知道,构成石墨的碳薄膜是由一个个六边形网格联接而成的网,但他们认为,无法从石墨中剥离出单片的碳薄膜,而且,这种单片的碳薄膜在常温情况下是不稳定的,会弯曲成管状或其他形状。

  一个基本的事实是,尽管碳薄片非常之薄,300万张碳薄片才能堆积成1毫米的厚石墨层。但碳片之间吸引力很弱,这使得石墨很柔软、容易剥落。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。然而在2004年前,没有人在实验上成功剥离出稳定的石墨薄片。

  为了研究石墨的电学性质,海姆和诺沃肖洛夫需要非常薄的石墨薄片,甚至单层碳片。他们最初希望通过打磨石墨晶体来获得这种薄片,但没有成功。之后,一位技术人员向他们演示:如何在被观察到之前,用透明胶带清除残留在隧道扫描显微镜上的石墨。在一个星期五晚上的实验,他们用透明胶带得到了一些石墨薄膜,然后,再用这种胶带反复粘贴、剥离薄膜,薄膜越变越薄,直到只有一层。他们将这些石墨薄膜放在氧化硅基底上,通过显微镜进行观察。

  两人将新发现写成论文,发表在2004年10月出版的《科学》杂志上,他们在论文中描述了石墨烯的结构、特征和性能,以及获得石墨烯的方法。

  实际上,在1999年的一篇论文中,美国物理学家R. Ruoff的研究小组首次提出并试验了这种方法,但他们未能鉴别出任何单层的碳薄膜。海姆和诺沃肖洛夫之所以成功,则是他们用了一种光学方法来鉴别只有几层结构的碎片,并发现其中一个碎片只有一层碳薄膜;进一步,他们将石墨烯制成霍尔棒并装上电极通电,以研究其电学性质。

  只有一个原子厚的石墨烯是人类历史上首次发现的二维晶体材料,这种新材料有诸多非凡的特性,既可用于基本理论研究,也有无量的应用前景。物理学家们用它来研究量子霍尔效应、隧道效应;工业界用它开发出可触摸的屏幕,把它制成超快晶体管。诺贝尔奖委员会的文章说,石墨烯的柔性可用于制造超强、超薄、超轻的复合材料,用于未来汽车、飞机、卫星的制造。

  一种精神

  “有时,用手可以做出非常简单的实验、得出非常简单的发现。”——安德烈·海姆

  石墨烯打开了基础物理和应用物理的一扇大门。它的故事传达出的一个信息是:实验物理学不一定需要复杂的设备,可以简单地做实验。

  美国国家标准和技术局的物理学家Joseph Stroscio在《纽约时报》上说,他曾经对石墨烯的未来持怀疑态度,但是,“每一年,我都吃惊地看见新实验显示出它的潜在应用前景,从电子设备、化学感应器到复合材料”。他认为,诺贝尔奖授予海姆和诺沃肖洛夫,反映出石墨烯可能带来的应用和新物理学实验。他说,石墨烯拥有“一种以前只能在高能物理中看到的特性,这是一个疯狂的开始”,不再需要一台粒子加速器,“你可以在桌面上做相对论的实验”。

  “做着迷的事,让事情变得疯狂。”诺沃肖洛夫在接受诺贝尔基金会的采访时说:“这就是星期五夜实验真正的精神。你接触不到任何复杂的仪器或其他东西。你只能赤手空拳地做事,如果有结果,就有效。石墨烯是其中一个例子。”

  海姆认为,石墨烯的发现表明:“你不需要待在哈佛大学或剑桥大学,这些拥有最聪明的人和最好设备的大学。在设备第二流或第三流的大学,你仍然可以做出令人惊讶的工作。我希望这是一个例子,给年轻科学家们更多的热情,让他们相信,即使不在最好的地方或最好的时间,你也能做出一些事情。”

  海姆和诺沃肖洛夫还在石墨烯领域,但这个领域已经涌进数千名科学家,变得日益拥挤,海姆希望能开拓新的角落。

  加上诺贝尔生理学或医学奖获得者罗伯特·爱德华兹,今年3位诺贝尔奖获得者的工作都是在英国做出的,3人均是英国皇家学会会员。皇家学会主席马丁·李表示,这些奖项强调了国家支持基础研究的重要性,他同时警告:英国政府日益紧缩的移民配额将阻止海曼和诺沃肖洛夫博士这样的人进入英国。

 
  相关评论 点击数:535     评论数:0    
   发表评论: (评论字数不能超过200字!)
 
验证码: