“碳女王”Mildred Dresselhaus开挂的一生

2022-05-02 03:05

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运动装备、微电子、钢筋混凝土……我们生活的世界中，碳纳米结构无处不在。这要感谢纳米科学先驱米尔德雷德·德雷塞尔豪斯（Mildred Dresselhaus）。她在二十世纪下半叶开创性地研究了石墨和碳纳米管等材料的物理基础，并且大力倡导科学平等，因此被学界誉为“碳女王”。

Mildred Dresselhaus在麻省理工学院演讲

图源：MIT Museum

作为科学领域的Superstar，德雷塞尔豪斯头上的光环实在是太耀眼了。她赢得过除诺贝尔奖之外的所有荣誉。她的“朋友圈”都是诸如物理学家恩里科·费米、第一夫人埃莉诺·罗斯福这样的人物。当辉煌的职业生涯结束时，她从美国总统奥巴马那里获得了自由勋章。不仅如此，她的传记作家甚至为她定制一个专属的乐高人偶形象。可以说，她“开挂”的一生里充满了精彩的注脚。

米尔德里德·德雷塞尔豪斯乐高像

图源：Maia Weinstock

德雷塞尔豪斯是波兰犹太移民后裔。1930年，她出生于大萧条时期纽约的一个贫民窟。在那个年代，食物短缺常见，女孩儿接受教育却不常见。8岁的时候，她靠打零工来养家，并坚持学习。

小时候，她最爱看的书籍是《国家地理》。大自然的鬼斧神工开启了她对于科学的兴趣。她还十分有音乐天赋，并因此获得了免费学习小提琴的机会。学习小提琴，不仅没有耽误她的学习，还成为了她跨入科学殿堂的引路石。在做小提琴家庭教师过程中，德雷塞尔豪斯接触到了很多富有家庭，这些家庭使她相信教育是重要的。

在他们的资助下，德雷塞尔豪斯得以就读于纽约市精英女子学校亨特学院高中。在那里，后来的诺贝尔奖得主、医学物理学家罗莎琳·亚洛（Rosalyn Yalow）鼓励她继续攻读研究生。

1958年，德雷塞尔豪斯进入哈佛大学攻读物理学研究生。在那期间，她仍然不得不与男性分开参加考试。在芝加哥大学，她与后来的诺贝尔奖获得者恩里科·费米一起攻读博士学位，研究磁场中超导体的性质。她曾尝试将核裂变工作中剩余的设备重新用于制造超导导线和微波仪器。那一年，她嫁给了物理学家吉恩·德雷塞尔豪斯。两人成为了一对科研伉俪。

20世纪60年代，材料科学还不是一个热门研究领域。在麻省理工学院（MIT）林肯实验室，德雷塞尔豪斯迷上了碳的物理性质——该领域在当时还是一片学术空白。几乎不费吹灰之力，她以惊人的速度大量推出研究成果，即便这样，她和丈夫仍然有时间养育了四个孩子。1967年，她受邀成为麻省理工学院的客座教授，并在不久后得到了一个固定职位。在那里，她开始研究纳米材料。

石墨的结构是由一堆单原子碳片粘合在像蜂窝一样六边形网络中，具有与传统半导体相同的一些特性，但其电子结构是独特的。石墨插层后来成为了锂离子电池和纳米碳的基础。在当时，她意识到这种不起眼的材料可能隐藏着一些迷人的物理现象——当电子流过石墨时，会发生什么？

德雷塞尔豪斯最早获得关注的是她在1968年发表的一篇论文。她利用红外气体激光源的圆偏振辐射对热解石墨进行了磁反射实验。通过对数据的初步分析，她发现布里渊区K点的载流子是电子而不是空穴。这一结果颠覆了人们当时对石墨电子结构的普遍看法。由于这一研究成果极具争议性，以至于一位评论家直接警告她不要出版。

偏偏不信邪，德雷塞尔豪斯冒着毁掉自己职业生涯的风险，她坚持出版了这项研究成果。结果引发了人们对碳基材料更广泛的兴趣。

从此，德雷塞尔豪斯更加坚信自己的研究结果，即使结论与公众认知背道而驰，也会遵循实验得出的证据。20世纪80年代，作为最早使用激光研究石墨的磁性和光学性质的人之一，德雷塞尔豪斯注意到激光蒸发会产生碳原子的“团簇”。这引起了其他研究人员的注意，并导致巴克敏斯特富勒烯（buckminsterfullerene，简称“巴克球”）被发现。她还提出类似的分子也可能以圆柱形存在。90年代初，当碳纳米管或确实被生产出来时，她预测，这种材料是半导体还是金属，取决于碳原子的六边形是如何定向的。多年后，这一点得到了验证。

德雷塞尔豪斯还发现，可以通过调整管直径等因素，以及通过与其他管的相互作用来控制纳米管的特性。也就是说，她为碳基结构制定了材料设计的原则。为此，她将基于单层碳片的模型与含有其他元素的碳片进行了比较。20世纪90年代，她开始设计能够发电的“热电”纳米材料，希望将废热转化为可用能源。

在研究生涯的最后一章，德雷塞尔豪斯研究了石墨烯的基本性质。石墨烯是一层看起来像铁丝网的碳原子。安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃塞洛夫（Konstantin Novoselov）因“关于二维材料石墨烯的开创性实验”获得2010年诺贝尔物理学奖时，两人在获奖演讲中都承认了德雷塞尔豪斯的贡献。

晚年的德雷塞尔豪斯

图源：Maia Weinstock

德雷塞尔豪斯是第一位成为麻省理工学院教授并获得美国国家工程科学奖章的女性。她的一生始终致力于倡导男女平等。在职业生涯早期，她常常是研究小组或团队中唯一的女性。曾经有人挑衅，研究金和助学金都浪费在了女性身上。这种明目张胆的歧视让她很难想象，在未来漫长的研究生涯里，要继续忍气吞声地在男性主导的实验室里工作。

为此，她孜孜不倦地工作，让曾经嘲笑她的人都闭上了嘴。在麻省理工学院做终身教授期间，她致力于消除歧视，倡导招生改革，并创建了支持系统，培养更多女性科学家。在麻省理工学院任职50多年期间，她一共指导了60多名博士生。进入学术管理层后，她一步步晋升，2000年成为美国能源部科学办公室主任，仍然坚持支持年轻科学家。

到晚年，她仍然热爱音乐，每天坚持去实验室，直到她去世前两周被送往医院。2017年7月，85岁的她参加了在宾夕法尼亚州州立学院举行的国际碳大会。演讲中，她所做的详细而整洁的手写笔记仍让后辈忍不住赞叹。

2017年，德雷塞尔豪斯去世，她留给世界的不仅仅是丰硕的研究成果，还有一名独立女性对于公平孜孜不倦的追寻。