石墨烯諾獎得主的中國情緣

劉國偉

單層石墨烯一度“徒有虛名”

2010年12月，康斯坦丁·諾沃肖洛夫與其老師英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆因為“在二維石墨烯材料的開創性實驗”，一起獲得2010年諾貝爾物理學獎。那么，這兩位科學家在石墨烯領域為什么能夠取得突破？

從19世紀中葉起，不斷有科學家開始關注到石墨結構的特別之處，并從各方面開展研究。1947年，加拿大理論物理學家菲利普·華萊士首次探索了石墨烯的理論。隨著科學家們在電子顯微鏡下觀察到層疊在一起的石墨薄片，如何通過化學剝離獲得單層石墨烯的問題，就提上了科學界的日程。1986年，3位科學家造出了石墨烯（graphene） 一詞，它是由石墨（graphite）的前5個字母和一個表示烯類物質的后綴（-ene）構成。

雖然有了自己的名字，但是石墨烯當時仍是一種假設性的結構，因為在自然界中它無法穩定地單獨存在。在很長時間里，科學研究止步于多層石墨烯組成的污泥狀物質。只有成功地在實驗中從石墨中分離出單層的石墨烯，才能證實它可以單獨存在。通過機械剝離，制造更薄的石墨結構的努力在上世紀90年代就開始了，但是科研人員勞而無功，因為加工到幾十層結構的時候就難以繼續推進了。由于苦求單層石墨烯而不可得，科學界甚至有人開始懷疑單層石墨烯是否真的存在。

2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獨辟蹊徑，用一種匪夷所思的方法制出了單層石墨烯結構，此舉驚動了當時的科學界。他們是怎樣做到的呢？

用膠帶撕出來的石墨烯

安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫兩人的成功離不開天時地利人和，但更離不開他們堅持不懈的努力。

所謂天時，是指研究界在石墨烯的制備方面已經做了相當長時間的摸索，走過無數條的死胡同，也為后來者提供了許多有用的信息。所謂地利，是指曼徹斯特大學為兩人的研究提供了高分辨率的儀器設備，使精通低溫掃描隧道顯微鏡的工作人員，可以從原子級別看到石墨烯的晶體結構。所謂人和，是指兩人富有特色的合作模式“周五之夜”。他倆經常在周五的晚上嘗試不同的實驗方法，雖然這些實驗與自己的日常工作未必有直接關系。這種頭腦風暴激發下的沒有思想包袱的嘗試，最終打動了幸運女神。

2004年的一個星期五，兩位科學家從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。如此不斷地反復操作，石墨薄片變得越來越薄。最后他們在顯微鏡下觀察到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是幾代人苦求不得的石墨烯。

兩人迅速將研究成果整理成論文投給了英國《自然》期刊，但《自然》拒絕發表。兩人轉而把論文投給了美國的《科學》雜志，《科學》雜志如期發表了他們的成果?？梢?，從實驗過程到發表成果，這期間如果在某個環節上被卡住，如此巨大的榮譽也許就會花落別家。成果問世后僅僅6年，兩人就獲得了諾貝爾獎，從出成果到拿諾獎的時間之短，這在諾獎歷史上是非常罕見。

老師：十年兩次獲“諾貝爾獎”

安德烈·海姆1958年生于蘇聯索契（今屬俄羅斯），有德裔血統。據他本人講，德裔血統讓他受到歧視，曾經導致他兩次求學受挫。一番周折后，他于1987年在俄羅斯科學院取得博士學位。隨后，他到荷蘭和英國從事科研工作，從此離開了俄羅斯。這一經歷不僅使他最終把事業發展地定在英國曼徹斯特，獲得了荷蘭和英國國籍，而且還在荷蘭奈梅亨遇到了一位優秀的學生，也就是后來同獲諾獎的研究伙伴康斯坦丁·諾沃肖洛夫。

身為一名優秀的物理學家，安德烈·海姆“保持好奇”的特質也許是最讓人印象深刻的。為人們津津樂道的是，早在2000年，安德烈·海姆就因為“懸浮青蛙”試驗獲得過一次“搞笑諾貝爾獎”。原來，海姆的實驗室里，有一臺能產生強大磁場的設備。海姆曾經別出心裁地把水、水果乃至青蛙扔進去，結果發現被丟進去的物體和青蛙都能懸浮。海姆也因此獲得2000年的搞笑諾貝爾獎。10年后，海姆“再次”榮獲諾獎，從而成為迄今唯一既獲得“搞笑諾貝爾獎”，又獲得真正諾貝爾獎的科學家。

提起兩次獲獎經歷，2013年海姆說出了自己的內心感受：“坦率地說，對‘搞笑諾貝爾獎和真正諾貝爾獎我是同樣重視的，一點自我貶損總是有益的?！?/p>

徒弟：藝術才子的中國情緣

康斯坦丁·諾沃肖洛夫1974年出生于蘇聯烏拉爾山地區的工程師和教師家庭。這位70后的成長環境中有著濃厚的技術氛圍，他從小就喜歡拆卸零件和做實驗?？邓固苟∪〉玫某删秃妥约旱男燎谂γ懿豢煞??！董h境與生活》雜志記者從全球著名的多學科學術研究社區網站researchid.com上了解到，截至本文發稿，康斯坦丁共發表了336篇經過同行評議的論文;從2007年到2014年，康斯坦丁的論文被引用率一直高居全球科研人員第一梯隊。從他的年齡來看，能做出如此數量的高質量研究成果無疑是十分驚人的。

不過，這位年輕諾獎得主的藝術才情絲毫不遜于其科學成就。2015年2月，曼徹斯特惠特沃斯美術館開幕時，他在場館中展示了個人美術作品，他還對科學家和藝術家之間的聯系談了自己的看法：“二者必須通過天才的實驗或想法來揭露最有趣的現象。之后二者必須有所不同：因為科學家開始研究許多現象之間的共性來描述最普遍的規律，而藝術家可能會嘗試研究個體而不是整個人群。但我們只是同一枚獎牌的兩面?！?/p>

康斯坦丁榮譽等身，他獲得了曼徹斯特市榮譽自由勛章、英國帝國騎士勛章和荷蘭獅騎士勛章。但最讓《環境與生活》記者印象深刻的是他的中國情緣。

2015年10月23日，中國國家主席習近平參觀曼徹斯特大學國家石墨烯研究院時，聽取了安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫對石墨烯研究情況的介紹。英國物理學會旗下的《物理世界》雜志網站稱，這次活動還有一個花絮，康斯坦丁向習主席贈送了自己的一幅畫作。

2017年，康斯坦丁有5幅畫作參加了維也納當代藝術博覽會，有風景畫，也有傳統的花鳥魚蟲畫。在畫作上，他還留下了“科思厙（ti）壓（ya）”的漢字落款，這4個字是他的漢語名字，應是他名字昵稱“Kostya”的音譯。