从三维材料到二维材料，诺奖得主的好奇心开启新时代｜2023腾讯科学WE大会

石墨烯——一种由单层碳原子组成的材料，拥有着无与伦比的特性：强度堪比坚硬的钻石，导电性之高让电子在其表面如音符跃动，透明度仿佛纯净而透彻的天空。这个由碳元素构成的交响曲，为电子、信息、能源、新材料、交通、医疗等多个领域带来了全新的旋律。对于人类，石墨烯就像是一个神话中的宝藏，蕴藏着无限的可能性。

然而，石墨烯的发现者安德烈·海姆，却是以一种意想不到的方式，揭开了这个人类科学史上的宝匣。他与合作者使用透明胶带贴在石墨薄片上，然后轻轻撕下，将石墨的层状结构分离开来。用这种简单到极致的操作，他们获得了人类第一个二维材料：石墨烯。

在2004年之前，石墨烯被认为是一种只存在于理论中，无法在实验室中获得的材料。

石墨烯是由碳原子构成的单层碳片，呈蜂窝图案的六边形平面晶格相互连接。尽管碳原子之间通过共价键连接，但人们普遍认为，在室温下，碳原子的强烈热振动将导致单层碳原子无法稳定存在，最终分解成微小的球状结构。这也就是说，表面的波动会破坏二维晶体的长程有序性。因此，科学家普遍认为在室温下无法制备单层碳原子。

这让制备石墨烯看似遥不可及。尽管科学界在上世纪40年代已开始理论研究，并分离出多层石墨薄片，但制备单原子厚度碳片的设想仍被认为是不切实际的。

图源wikipedia

然而，充满好奇心的海姆并没有被这一观点吓倒。他和合作者提出一个简单而朴素的问题：如果将碳纳米管展开成单层碳原子厚的材料会发生什么？

他们决定将这一想法付诸实践，最初尝试使用抛光机将石墨薄片变薄，却以失败告终。

尽管初次尝试失败，但并没有使他们失去热情。受到废弃胶带上石墨残渣的启发，他们开始了新一轮的尝试。

胶带上的石墨碎片

利用透明胶带将石墨层分离出新鲜、干净的表面，这是扫描隧道显微镜研究中的标准技术。海姆和合作者敏锐地感受到了"这就是我们需要的东西"。他们不断重复粘贴胶带的过程，利用胶带的粘性破坏石墨层间的范德华力。经过数周的尝试，终于分离出了有史以来第一个二维材料，即单层碳层，也就是石墨烯。

当海姆和他的合作者提交了一篇3页的论文，描述他们的发现，并试图发表在《自然》杂志上时，论文2次被拒绝。一位评审认为分离稳定的二维材料是"不可能的"，而另一位评审则认为这并不是"足够的科学进步"。直到2004年10月，他们的论文《原子级薄碳膜中的电场效应》发表在 Science 杂志上，才猛然震惊了整个科学界，不少科学家描述看到这篇论文的感觉“就像科幻小说变成了现实”。

石墨烯拥有卓越的导电性，电子可以在碳原子表面自由滑行，而不像金属一样从表面反弹。此外，尽管它是已知宇宙中最薄的材料之一，但其强度是同等重量的钢的200倍，是迄今为止人类测量到的最强材料。

石墨烯的透明度和坚固性同样令人惊叹。它几乎是完全透明的，光线毫不费力地穿过，为显示技术和光电领域带来广泛的应用前景。尽管只有一个原子的厚度，石墨烯比钢铁还要坚固，这使它成为新一代材料科学的明星，建筑和航天等领域都可以受益。

石墨烯不仅薄如原子，而且不透气。其导热性和导电性优于铜，可以制成比硅更快的晶体管。

石墨烯一经问世，就成为了科学界的研究热点，它拥有一系列卓越的性能：极薄的厚度、最大比表面积、极高强度、极高延展性和柔韧性、极高导热性等，打破了一系列的材料记录。石墨烯优异的物理性质使其在电子、信息、能源、交通、医疗等多个领域有望获得重要的应用。石墨烯还具有独特的电子结构和载流子特性，是检验基础物理理论研究的重要实验材料。因此，石墨烯被誉为"新材料之王"。

安德烈·海姆在2010年诺贝尔颁奖典礼上（图源诺奖官网）

海姆的石墨烯研究让他获得了2010年的诺贝尔物理学奖，这也是对他卓越科研生涯的最高赞誉。不过，与获奖相比，他更喜欢在未知的科学领域探索，不断进行各种实验，根据科幻或个人好奇心找到新颖的材料和物质。为自己不断拓展全新的研究疆域。探索未知的自然奥秘才是他真正热爱的事业。

在安德烈·海姆身上，我们看到了科学与创意的完美结合，好奇心与耐心和谐相处，挑战传统与大胆探索携手前行。

安德烈·海姆于1958年出生在苏联。他的父亲是一名工程师，对工作和专业充满热情，这早早埋下了他对科学和技术的浓厚兴趣。或许正是受到父亲职业的启发，海姆在童年时期就展现出了出色的数学和物理才能，扎实的理论功底为他未来在多个研究领域的跨界研究和开创性突破打下了坚实的基础。

海姆毕业于莫斯科物理技术研究所（PhysTech）并获得学士学位。关于他申请这所学校的经历有一个有趣的小插曲：在申请大学时，他本担心自己考不上莫斯科物理技术研究所，因此先申请了另一所知名度较低的大学——莫斯科工程物理学院。然而，由于他的德国裔背景，他在招生中受到了不公平待遇，莫斯科工程物理学院没有录取他。相反，他在莫斯科物理技术研究所却感受到了愉快的氛围。最终，他被更优秀的大学录取。这也让我们不禁感叹，命运似乎总是青睐有才华之人。

大学毕业后，海姆在莫斯科的一家研究机构展开了博士研究。他的早期职业生涯主要集中在实验物理学和固态物理学领域。

当时，海姆并没有展现出与众不同的迹象，甚至因为科研课题的平庸而未能取得突出的成就。尽管发表了几篇科研论文，但几乎没有引起同行的关注。这一段并不太愉快的科研经历让他深刻地认识到“绝对不要让你的学生研究那些已经死了很久的课题方向”。

尽管研究方向普通让他错失了几年宝贵的科研时光，但他开始接触到固态物理学中的一些复杂问题，这为他后来的研究打下了基础。他的好奇心和坚韧不拔的性格使他在逆境中逐渐脱颖而出。

幸运的是，海姆在中年时成为了荷兰奈梅亨大学的副教授，这让他有机会专注于科研，不再为维持生计而四处奔波。他欣然表示：“我终于可以全身心地专注于研究了！”

不久后，奈梅亨大学实验室里一个强大的超导磁铁让他着了迷。这个磁铁能够创造出20特斯拉的磁场，这一磁场的强度几乎是地球磁场的40万倍，甚至远超核磁共振仪的磁场数倍。实际上，核磁共振仪或许是普通人能接触到的磁场最大的物体了。

面对这个强大的磁场，好奇心驱使着海姆产生了一个大胆的想法：“如果我们把水放入这个强大的磁场中，会发生什么奇妙的事情呢？”

这个听起来似乎有些疯狂的想法并不是海姆头脑一时发热的产物，而是基于多年前他一直以失败告终的“磁化水”实验的启发。他想：“如果水的磁化效应确实存在，那么20特斯拉的超强磁场应该会产生比0.1特斯拉的常规永久磁铁更显著的效果。”

当他将水倒入实验室中正在产生巨大磁场的设备时，在场的所有人都感到震惊，包括那些一辈子与磁场打交道的教授们。因为倒入设备的水并没有流出，而是奇迹般地聚集在超导磁铁的中心，形成了一个悬浮的水球！

这一神奇现象的背后，实际上是水的抗磁性在发挥作用。磁学有一个引人入胜的特性：当物体在磁场中移动时，它会产生与移动方向相反的力以抵抗物体的运动。这就是所谓的抗磁性。所有物质都具有一定的抗磁性，即它们对磁场磁化具有内在的抵抗力。不同物质的抗磁性系数不同，因此产生的斥力也会有很大差异。

水的抗磁性非常微弱，这一点在教科书中早已有了成熟的结论。然而，这个实验之所以令人震惊，是因为人们知道水的抗磁性非常微弱，但没想到在足够强磁场的作用下，它竟然能够抵消水的重力。

海姆并没有满足，他的好奇心犹如脱缰的野马在脑海中奔腾。生物体内的大部分物质都是水分，而蛋白质等生物分子也具有抗磁性。这引发了一个有趣的问题：如果将生物体置于强磁场中，它们是否也会像水滴一样悬浮呢？

于是，一只青蛙被海姆投入到这个强大的磁场中。当青蛙进入磁场时，它身体的每个原子都表现得像微小的磁针，受到外部强大磁场的影响，产生反向的抗磁力，这抵消了青蛙身体的重力。青蛙仿佛是不受控制地“飘浮”在空中，轻盈地悬浮其中，宛如置身于仙境。

这一实验引发了更多令人神往的遐想，如果能够通过足够强大的磁场和精密的设计，让人类在磁场中悬浮，那将创造前所未有的壮丽景象！

正是因为这只悬浮青蛙，海姆一举成名，并于2000年获得了“搞笑诺贝尔物理学奖”。这一实验还为超导材料的应用提供了新的思路。从磁悬浮技术到医疗成像设备，这一发现对多个领域产生了深远的影响。

作为一位被强烈好奇心驱动的科学家，海姆的探索之路绝不止步于此。他另一个研究项目同样令人叹为观止。

这次，他的兴趣被壁虎在光滑墙壁上的出色爬行能力所激发。

范德华力是一种发生在分子与分子之间的微弱吸引力，通常在我们的日常生活中被忽略。然而，在壁虎的脚掌上，数以亿计的微小绒毛共同产生了强大的吸附力，让壁虎能够攀爬各种表面，甚至是在天花板上倒挂。

壁虎脚掌的解剖构造

为了感受范德华力的力量，可以试着将手机膜从手机屏上拿掉。由于膜和手机屏表面都极其光滑，因此它们之间的吸附力是手机屏与手机膜分子之间的范德华力。这种力量如此之强，以至于手机膜紧紧地固定在手机屏上不会脱落。

受到壁虎脚掌的启发，海姆与同事一起设计了一种拥有强大粘附力的材料，被戏称为“壁虎手套”。这种材料基于碳纳米管的结构，模仿壁虎脚掌上数以亿计的密集绒毛，展现出卓越的粘附性能。

最终，他们为一个真人大小的玩偶穿上蜘蛛侠的服装，然后利用“壁虎手套”让它悬挂在实验室的天花板上，这一场景既滑稽又令人印象深刻。

在海姆的启发下，科学家们成功地发明了“壁虎面板”，并用其攀爬了数十米高的高墙，仿佛现实版的蜘蛛侠。这壮观的场面令整个世界都为之震撼，同时也展现了海姆独具的科学眼光和创新精神。

“壁虎手套”的理念不仅有趣，还具有实际应用潜力。这种强力粘附材料可以用于太空探索、建筑施工和医疗设备等各个领域，为创新开辟了崭新的可能性。正如海姆所展示的，科学与幽默可以巧妙融合，而创新往往源自对问题的大胆思考。

人类文明的历程自四千年前扬帆启航，从石器时代渐进至青铜、再至铁器时代。每个历史时期都留下了特定的材料，作为当时文明的象征。我们现今所生活的时代，被硅和塑料所主导，它们成为当代文明的代表。然而，下一个时代将会是怎样的？哪些材料将崭露头角，协助我们改善生活，推动当前文明朝着更美好的方向前进呢？

在这个问题上，安德烈·海姆毫不犹豫地给出了自己的预测：二维材料。

我们所生活的世界中，万物都有其一定的厚度，即三维实体，这是自然法则的根基。几乎不可能找到只有一个原子厚度的物质，因此我们一直认为所有事物都属于三维领域。

然而，二维材料的兴起颠覆了这一传统认知。二维材料，如石墨烯，表现出与其三维对应物质完全不同的性能，为材料从三维向二维的转变带来新机遇。

二维材料是一个广泛范畴的材料，它们在一个维度上减小到了极限的单原子层厚度，而在其他两个维度，其尺寸相对较大。正因其单原子层厚度带来的量子局限效应，这些二维材料展示出截然不同于三维材料的性质，从而引起了科学界和工业界的广泛兴趣。

除了石墨烯，还有其他二维材料，包括单元素材料，如硅烯、锗烯和黑磷；过渡金属硫族化合物，如MoS2、NbSe2；以及主族金属硫族化合物，如GaS、InSe等多种材料。这些二维材料不仅具有不同的能带结构和电学性质，覆盖了从超导体、金属、半金属、半导体到绝缘体等材料类型。同时，它们还展现出优异的光学、力学、热学、磁学等性质。

举个例子，二维纳米氮化硼和钻石这两种材料都具有非常宽的带隙。虽然带隙太大，不适宜用于电流开关，但它们可用作出色的绝缘体。研究人员将这些材料与石墨烯结合，已经在制备超薄电路方面取得了一些突破。

另一有趣的二维材料是硅烯，它在某些方面类似于石墨烯，如具有无质量的狄拉克费米子。但硅烯还具备更多突出的特征，包括更低的对称性组、更强的自旋-轨道耦合，这使其可能比石墨烯更适用于与硅电子器件集成。

研究二维材料还有望成为揭示传统三维材料中一些神奇物理现象的关键。例如，当前基于铜氧化物的高温超导体都具有层状结构，但对于其非传统超导机制的理解仍是科学界的谜。

为了揭示超导之谜，中国科学家进行了关于高温超导材料Bi2Sr2CaCu2O8+x（Bi-2212）的研究。他们发现，即使将其剥离至二维极限，它仍表现出高温超导现象，包括高转变温度和多个独特的高温超导特性几乎与块材一致。这表明，对于Bi-2212这种高温超导材料来说，其超导完全是二维现象，为我们理解高温超导提供了宝贵线索。

此外，叠加不同种类的二维材料也可以构建功能更强大的材料系统，这些材料有望应用于高性能电子器件、光电子器件、自旋电子器件、能源转换与存储等多个领域。从结构的角度看，科学家能够创造出自然界中尚不存在的材料。

在物理学研究中，唯一能束缚人们的是自身的想象力。随着二维材料家族不断扩展，越来越多新型的二维材料被发现，并展现出独特的性能，为广泛研究和应用提供了基础，有望引领材料创新的产业革命。

安德烈·海姆具有大胆的研究风格，创造了完美的二维晶体，探索了无质量费米子的特性，展示出卓越的性能和广阔的应用前景。石墨烯的发现不仅改变了人们的思维方式，也为物理学注入新的生机和活力，同时带来了许多领域的技术突破。

石墨烯和二维材料的独特性及应用领域远不止这些，明天还会有哪些新现象被发现，谁能预知呢？对此，安德烈·海姆充满希望地说：“我希望石墨烯会像塑料一样改变我们的生活。”

👇10月28日，腾讯科学WE大会上，安德烈·海姆及数位全球顶尖科学家将为大家分享前沿科学突破。