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断章师爷 漫谈2010年度诺贝尔物理学获奖项目石墨烯（四）

作者：light12  于 2010-12-31 23:23 发表于 最热闹的华人社交网络--贝壳村

通用分类:网络文摘|已有12评论

时间: 12 31 2010 10:38  
作者：断章师爷 在 芦笛自治区 发贴, 来自 海纳百川

漫谈2010年度诺贝尔物理学获奖项目石墨烯（四）
断章师爷

本文前面三个部分对于石墨烯的基本概念、发现历史和电子性能等做了些介绍。下面想站在材料学的角度从纵横2个方向对石墨烯做些比较。

先从纵向说起，在门氏周期表中，碳、硅、锗、锡和铅都是排在第4个纵列的元素。硅原子因为没有明显的自由电子，能导电，但导电率不及金属，且随着温度升高而增加，因此具有半导体性质。世界已经进入了信息时代，电子信息技术是各国竞争的关键领域之一，硅作为最基础的原材料，对信息产业的发展起着重要的作用。加州北部的硅谷就是因为早期以硅芯片的设计与制造著称得名的。加上后来其它科学技术产业的投入，硅谷已经成了高科技产业的代名词了。石墨烯的元素组成是碳，位于硅之上。撇开它卓越的机械性能和耐热性能以及薄、柔、轻等特性不说，它特独的电子结构为凝聚体物理学和量子电动力学等现代学科提供了一个可以进行实验测试的平台。因此石墨烯的问世有可能开拓出一个创新空间很大的领域，也可以说是一个前沿学科交叉的领域。关于石墨烯即将取代硅的地位而成为信息世界新宠的报导已经出现在各种媒体上。

学过一点数学物理方法的大学生都能根据建立好的模型求出解来。对于这种参数有限，机制不算复杂的体系，数学解预测的物理性能究竟有多少意义？凡是做过实验的人都是心中有数的。所以对于未来世界(包括未来事件)的预测，我始终是抱着观望的态度。因此这儿我也只是尽职地搜集一些观点，集中分类，权作獭祭而已。

认为石墨烯能够取代硅的呼声甚嚣尘上，例如休斯顿莱斯大学化学系的James Tour教授乐观地表示，不久的将来我们就能将这种由石墨烯材料制成的屏幕“卷起来，像铅笔那样夹在耳朵后面了……未来十年甚至五年内，这种屏幕将充斥整个市场。我想这只是个时间问题。”西班牙科普作家Chema Lapuente说：“石墨烯不仅是为笔记本电脑和显示器敲响了丧钟，而且书籍和报纸也应被打入冷宫了。”他的一位同行Elsa Prada更表示石墨烯超出了所有能够做出的预期：“无数个曾经被认为乌托邦式的理论一个接一个的实现了。石墨烯的出现让我们可以构想比现代计算机快1000倍的微型集成电路和手机。”

然而反对的声浪也很浑厚，认为这样梦幻般的情景与实际还有距离的大有人在。写公开信谴责“诺委会未曾做功课”的Walt de Heer教授就认为：“石墨烯永远也不可能取代硅。事实上有些事情石墨烯可以办到，而硅不可以，反之亦然。”波士顿大学的物理学教授Castro Neto认为从硅到石墨烯的过渡并不是一蹴而就的简单过程，“与从铜到锗再到硅的快速过渡相比，硅和石墨烯这两种材料将长期共存，因为硅市场已经投入了巨大的资金。”美国德州大学奥斯丁分校的化学教授Rodney Ruoff认为：“我还不知道这个领域中任何一个企业中有哪一名雇员，即使他是最好幻想的人，相信有朝一日石墨烯会完全取代硅!作为教授我认为更应该相信的是他们，而不是我那些科学家同行。”台湾中央研究院物理研究所所长吳茂昆教授认为就目前看来，石墨烯的最大问题是如何扩大其尺寸，变大是当前最迫切的目标，否则各种应用前途都会打折扣。马德里材料科学研究所凝聚体物理学教授Francisco Guinea相信石墨烯“能提高复杂信息系统的性能，但在相当长的一段时间内，大部分集成电路仍将是硅质材料制作的”。

综上所述，我对于“Goodbye Silicon Valley, Hello Graphene Gulch？”的回答是“Wait and See”。

接下去，我想再对石墨烯作一个横向的比较。几乎在所有介绍石墨烯的资料中都可以看到一张示意图，从左至右排列着一些由六边形的网格组成的图形，它们分别是空心圆球、空心圆柱和空间立体，在这三种图形的上面则是一个网格平面。圆球的下面标着0D；空心圆柱的下面标着1D；空间立体的下面标着3D；网格平面的下面标着2D。这4种网格六边形组成的图形代表各种不同维度的石墨：0维的C60、一维的纳米碳管、三维的石墨和二维的石墨烯。现在比较通行的观点认为二维的石墨烯是各种石墨形式之母。将石墨烯包裹可以得到球状的C60；将石墨烯捆卷可以得到圆柱状的纳米碳管；将石墨烯逐层堆砌可以得到块状的石墨。这四者都是碳的同素异性体。

进入21世纪以来，纳米两字虽然还没有到达妇孺皆知的地步，对于常看报刊和电视的人来说至少是耳熟能详的。纳米材料的种类繁多，各种粉末纤维和薄膜的制品成千上万。其中性能最突出的是誉为“纳米王子”的C60。

C60的分子结构为球形32面体，由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的中空球状。C60又称为巴克球（Buckyball），这是为了纪念美国建筑师Richard Buckminster Fuller（1895-1983）为加拿大世界博览馆设计的球形圆顶薄壳建筑。

英国Sheffield 大学的Harold Walter Kroto 以及美国Rice 大学的Robert Floyd Curl, Jr 和Richard Errett Smalley 等通过使用激光汽化石墨，首次制得了由60个碳组成的具有原子簇（cluster）结构的分子C60，他们三位因此而获得1996年度的诺贝尔化学奖。

碳纳米管是在1991年初由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨率的透射电镜从电弧法生产的碳纤维中首次发现的。可以毫不夸张地说，碳纳米管的发现开拓了纳米时代。饭岛澄男因此获得三十来项国际奖状，其中包括瑞典皇家科学院颁发的阿米诺夫奖状（Gregori Aminoff Prize）以及美国的富兰克林物理学奖章（Benjamin Franklin Medal in Physics），遗憾的就是与诺贝尔奖无缘。

C60、碳纳米管和石墨烯问世后都受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。

上述0维的C60和一维的碳纳米管都是富勒烯家族的成员，富勒烯是完全由碳组成的中空球型、椭圆型、柱型或管状分子的总称。富勒烯（Fullerene）的名称也是为了纪念美国建筑师Richard Buckminster Fuller。

0维的C60因为具有比较高的电荷迁移率，所以是极好的有机电子受体，主要用作超导材料、有机软铁磁材料、光学材料、功能高分子材料（引入功能基团）以及生物活性材料（连接具有生物活性的衍生物）等。一维的纳米碳管根据直径和螺旋角的不同既可呈现导电性也可作半导体，大量地用作电子材料、结构材料、显示材料、燃料电池（吸附碳氢化合物）和能源（储存氢气）以及传感器材（探针）等。二维的石墨烯厚度最薄，强度很高，电子的输送速度达到费米数量级（约为光速的300分之一），目前偏重于它在物理学（微观领域）的研究，作为材料和在化学领域中的应用还远远少于物理学。

石墨烯的前景辉煌与否，我们不妨拭目以待。关于石墨烯，就谈到这儿。再留些篇幅给石墨烯的发现者，聊助谈资吧。十分遗憾，我无缘与这两位诺奖得主谋面，也没有机会读到他们的传纪（可能很快会蜂拥而出）。只能从网络上采撷些许与他们有关的花絮进行介绍，并在后面加些自己的看法。

A.K.Geim 1958年出生于前苏联，后加入荷兰籍，现在英国的曼彻斯特大学物理系任教授。Geim的双亲都是原籍德国的工程师，他本人高中毕业后，两次通过莫斯科工程物理学院的考试，但是未被录取。据Geim的中学班主任老师说，他经过苦读，终于进入大学，到后来才明白是因为自己的出身有问题，所以两次未被录取。（师爷按：可见文革前我国在招生中贯彻的成份路线来自老大哥。）他后来进入了莫斯科物理技术学院，在该校念完硕士后，又在前苏联科学院固体物理学研究所继续学习，并得到金属物理学博士学位。以后，他分别在荷兰、英国和丹麦等国做博士后研究。1994年成为荷兰Radboud大学的助理教授，2000年被聘为英国曼彻斯特大学的物理教授。

Geim回忆大学期间的生活时曾说过“那时工作和学习的压力是如此沉重，休息和休假是极其难得的稀罕事，有些同学因为抑郁患上精神分裂症而自杀了。”在Geim 获得诺奖后，莫斯科物理技术学院的网页公布了他的全部成绩单：除了马克思主义政治经济学和英语得过几次“4分”之外，其他科目几乎全部是“5分” 。（师爷按：苏俄的五级计分制中，“5分”代表优秀、“4分” 代表良好、“3分” 代表及格、“2分” 代表不及格、1分” 代表最差。）Geim说他之所以分别在荷兰、英国和丹麦等国做博士后，是因为“可以把全部时间用于科学研究，而不必顾忌政治活动，所以决定离开俄罗斯。” （师爷按：Geim教授明智地跨出了关键的一步，否则他有可能与诺奖终身无缘。）

Geim在特拉维夫参加第二届国际纳米科技会议时说“我母亲的祖母是犹太人，我在俄罗斯遭到过反犹太主义者的麻烦，因为我的名字听起来象犹太人。所以，我认同你们（掌声）。尽管如此，我并不根据宗教或者国家划分世界，而是根据愚蠢的人和稍微愚蠢的人来划分。我希望我能归入第二类（笑声和掌声）。以色列有一些文化特征使得他们第二类人的比例特别高（热烈的掌声）。”此外，10月28日他和另外37位诺奖获得者一起签署了一项反对以色列对于学者、学术机构和研究中心实施抵制、撤资和限制的声明（师爷按：看来Geim教授不仅在血缘上与犹太民族相关，在现实生活中也确实是认同以色列国的。）

Geim曼彻斯特大学的同事说他“是个性格随和，心情开朗的家伙，不拘小节，总是把实验室弄得乱糟糟的”。Geim告诉ScienceWatch 网站的记者，他至少要花费10%的时间从事一些匪夷所思的“疯狂”试验。每个星期五晚上，他和组员都呆在实验室里干这些疯狂的事情。至于是否可能成功他从来不去计较。Geim曾经使用电磁力让一只青蛙在磁场中腾空悬浮，这个戏法似的“会飞翔的青蛙”为他带来了2000年的《搞笑诺贝尔奖》( Ig Nobel Prize，这是一个由美国非官方人士评选的玩笑“奖项”。设立该奖的目的是首先让人们发笑，然后使人们思考。带动和引发人们对于科学、医学和技术的兴趣。通常在诺贝尔奖公布之前颁奖，颁奖地点以前在麻省理工学院，现在为哈佛大学的Sanders 剧场。Ig源于拉丁文ignobilis，表示不名誉的、大众化的和口味低下的意思。取这个名称含有自嘲的成分。)当时已被曼彻斯特大学聘为物理系教授的Geim兴致勃勃地飞到美国，笑容可掬地到场领取奖状。 Geim还参与过一个称之为壁虎胶带的研究，这种粘接剂模仿壁虎脚掌的特殊构造，因此具有强烈的吸着能力，开发这种仿生胶带是为了能像蜘蛛人那样自由地攀登各种高楼陡壁。(师爷按：看来Geim教授性格诙谐，不乏幽默，而且具有强烈的好奇性。这种以好奇心为动力，寓科研于玩乐的精神不仅大胆、新奇，而且富于漫画色彩的夸张。不知是源于他外曾祖母遗传的犹太背景？还是得益于他父母给予的德国血统？或者是对于他本人接受过的一整套苏俄教育思维的反弹？)

12月10日Geim应邀在斯德哥尔摩皇宫做获奖者发言，对于欧盟委员会颇有微辞。他谈到“人类的进程始终是被一种冒险和非常规的思维的感觉所驱使的。但是置身于“面包与马戏” （师爷按： 这是一个隐喻，指人们为了食物和乐趣而放弃了公民义务，追随统治者的意旨，源出拉丁文panem et circenses。)的召唤中，为了谨慎和现在统治世界的政治正确性的缘故，这些美德是常常被遗忘了。而我们则从民主越来越深地陷入到了一种平庸甚至愚蠢的状态。如果你需要一个例子，只须看看欧盟主持的研究资金就足够了。” （师爷按：荷兰《共同日报》(Algemeen Dagblad)在当日24小时的滚动新闻中披露Geim教授本人从2007年起分别获得荷兰代尔夫特理工学院、苏黎世联邦理工学院和英国帝国理工学院的科研基金。这三所大学均是IDEA 联盟的成员，后者与欧盟旗下的欧罗巴投资银行有密切的联系。)

12月11日Geim参加在瑞典皇家Bernadotte图书馆里面召开的“天才猜测”座谈会。当主持座谈会的BBC驻美国新闻办事处主任Matthias Frei就刘晓波博士未能出席诺贝尔和平奖授予仪式一事，征询大家的看法时，Geim嘲讽了挪威议会的选择：“是的，我认为（挪威议会）持一种居高临下的态度：‘我们将及时地把我们西方世界的价值观念传布到那些国家去，甚至中国。其实，那儿的大多数人民对于许多事情具有完全不同的看法。’……过去十年，中国不仅经济在发展，即使是最强的人权支持者也得同意那儿的人权已经得到了改善。我们有什么必要去歪曲真相呢。”（师爷按：不知道这位用脚投票离开俄罗斯加入了荷兰籍，并长期定居英国的物理学大师怎么会得知中国的大多数人民的看法？中国的人权状况是否已经得到了改善？又是谁在歪曲事实真相呢？Geim教授说这番话的口气与我们党报社论倒是如出一辄，奇怪的是莫斯科物理技术学院的马克思主义政治经济学教师当年为什么只给他打了个4分？）

与会的诺贝尔文学奖获得者Mario Vargas Llosa针锋相对地提出：“我不同意你的看法，认为自由、宽容和反对统治者的权利只存在于富裕的西欧或发达国家。去询问一下中国的人民，你可以听到他们想些什么。因为对于拉丁美洲国家，以前也有过同样的说法：拉丁美洲国家什么都没有。自由和民主只是为了发达国家，而不是为了贫困国家。然而，当询问拉丁美洲或者第三世界的人民想逃离还是生活在独裁统治下，答案其实是非常清楚的!” （师爷按：年逾古稀的Llosa绝对是位人物。他上世纪50年代在大学念书时就参加过秘鲁共产党，60年代曾多次造访古巴的卡斯特罗，90年代以声望最高的候选人资格参加秘鲁总统大选，在第二轮竞选中才以微弱少数输给日裔候选人藤森谦也。）

Geim王顾左右，在Llosa的追问下只得回答：“你指的是这个问题麽，唔，我想是的。”

Llosa一针见血地指出：“但是，这（二者）显然是相关的？”

当座谈会主持人Matthias Frei向Geim指出：“但是，刘博士已经被囚禁了多年，作为一个简单的刑事描述，仅仅是因为他表达了自己的意见。这是对的还是错的？这不是一个很简单的问题吗？”

Geim也同意：“这确实是一个很简单的问题，他绝对必须离开监狱。这是毫无疑问的。”（师爷按：毕竟Geim教授与胡总领导下的敝国政府的衮衮诸公还是有区别的，至少他承认必须释放刘晓波博士。）

但是Geim话锋一转，仍然谴责挪威议会：“问题是中国是否应当受到压力？”（师爷按：究竟是中国政府对挪威施加压力？还是中国受到由5位挪威议员组成的诺贝尔和平奖委员会的压力？这个问题Geim教授需要弄弄清楚。）

接着Geim又滔滔不绝地谈起“……我有很多中国同事。他们认为缓慢地实行民主才是可取之道。他们都害怕象俄罗斯那样从专制直接走向民主会导致国家经济的崩溃。”（师爷按：这句话倒还言之成理。）

一旁的Llosa却不依不饶地追问他：“那么东欧的情况呢？东欧国家的体制转型是相当成功的：波兰、匈牙利……”

Geim顿了一阵后，反问他：“听说你没有在俄罗斯居住过？” （师爷按：Geim教授也学会了在关键时刻祭起“国情特殊”这一法宝。）

对面的Llosa脸色大变，气氛顿时剑拔弩张。座谈会主持人Matthias Frei眼看一场大战不可避免，连忙拨转话题，询问经济学家Dale T. Mortensen 。（师爷按： 物理学教授Geim真要和文学大师兼政党魁首Llosa较劲的话，可能不会有好果子吃。）

下面再说说Novoselov博士。他和Geim是莫斯科物理技术学院的先后同学。他去荷兰Radboud大学念博士时，Geim是他的指导教师之一。Geim赴英后又邀他去曼彻斯特大学做博士后研究。

据NatureNews报导，Novoselov博士发表的33篇论文总共被引用过2895次，因而荣登2008年度国际科学论文的榜首。（师爷按：2008年Novoselov博士就已经取得如此成就，确实是一位了不起的天才人物，难怪这位“70后”的中生代在两年后会赢得诺贝尔物理学奖的殊荣。）

俄罗斯《共青团真理报》记者在电话中采访Novoselov，询问他对于俄国和英国的看法。Novoselov说：“俄罗斯是祖国，英国是现在工作和生活的地方。你知道，这是根本不同的嘛。我，哦，是的，我特别喜爱塔尔河与乌拉尔森林，世界上没有比那儿更可爱的地方了!俄语，普希金怎么说来着‘俄语是我唯一的支柱与靠山。’ (经《共青团真理报》记者指出其实是屠格涅夫说的)。……我不喜欢（英国）报纸上对（俄国）的报导，是一种很走样的歪曲。……爱国主义怎么成了贬义词，我想这是一种很好的传统，就象Песня о Родине一样。”（师爷按：Песня о Родине中文译作《祖国进行曲》，就是“我们祖国多么辽阔广大，她有无数田野和森林，我们没有见过别的国家可以这样自由呼吸……”那一首歌。据说现在俄国的电影，一演到劳改营的场面，就放这支曲子。）

在谈到大学学习时，Novoselov说： “自然罗，我的数学和物理学基础就是在那里打下的。” 莫斯科物理技术学院的网页上也公布了Novoselov的全部成绩单，教师的评语表明他的好几门物理学课程都学得“有些吃力”，其他科目更是一大堆“4分”，英语还曾经得过“3分”。（师爷按：这不奇怪，爱因斯坦也曾经被他的校长认为是个“干什么都不会有作为”的笨学生。）

在“天才猜测”座谈会上，Novoselov 追随他的老师Geim 说道：“什么是独裁的定义？人民并不能执行右和左的政策。这只是一种很简单的治理大国的手段。……中国对于科学研究投入了大量的经费。我们的很多中国学生都希望回国去。他们看到了一个辉煌的前景。他们并不认为他们的人权会遭到侵犯。” （师爷按：显然在Novoselov博士看来，对于一个国家政策的左和右，人民是无能为力的。至于中国这么大一个国家，那就无论使用什么样的治理手段也谈不上独裁了。他还认为因为中国政府对于科学研究投入了大量的经费，所以中国学生的人权就不会遭到侵犯了。）

书抄得太长，该结束了。我这儿名曰介绍，其实是既凌乱又无章。用这种手法剪贴出来的A.K.Geim和K.S.Novoselov，自然不是两幅完整的肖像，至多只是七巧板式的游戏拼图而已。

最后，恭祝芦区网友在新的一年中健康，平安，快乐!

断章师爷 2010年岁尾

（全文完）

ZT

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发表评论 评论 (12 个评论)

1 回复 Giada 2011-1-2 12:52
长，还是长。
1 回复 light12 2011-1-2 17:42
Giada: 长，还是长。
你一定是学文科的?
1 回复 Giada 2011-1-4 12:19
light12: 你一定是学文科的?
为什么是学文科的？
1 回复 light12 2011-1-4 13:45
Giada: 为什么是学文科的？
嫌长
1 回复 Giada 2011-1-4 13:49
light12: 嫌长
没听说过，只有学文科的嫌长吗？学理工的大概连看都不看呢。
1 回复 light12 2011-1-4 14:00
Giada: 没听说过，只有学文科的嫌长吗？学理工的大概连看都不看呢。
对物理关心的人会看
1 回复 Giada 2011-1-4 14:02
light12: 对物理关心的人会看
这么长，还不如去看英文。
1 回复 light12 2011-1-4 14:07
Giada: 这么长，还不如去看英文。
是的
1 回复 Giada 2011-1-4 14:07
light12: 是的
    
1 回复 light12 2011-1-4 14:08
Giada:      
      
1 回复 Giada 2011-1-4 14:11
light12:          
晚安了。
1 回复 啤梨啤梨猪 2015-12-23 17:51
Giada: 没听说过，只有学文科的嫌长吗？学理工的大概连看都不看呢。
理工科女，饶有趣味的拜读完！弹道那一部分望有更详细的释解，哦，还有克莱因隧道效应~~

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