石墨烯——从象牙塔到未来世界

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本文的删节版发表于《科学画报》二零一零年第十一期 (上海科学技术出版社出版)。本文的完整版收录于《因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦》 (清华大学出版社， 2015 年 6 月出版)。

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石墨烯——从象牙塔到未来世界

- 2010 年诺贝尔物理学奖获奖成果简介 -

- 卢昌海 -

本文是应《科学画报》约稿而写的科普短文。本站版本在若干学术术语、人名及获奖原因后面加注了英文，并包含了一些注释。

2010 年 10 月 5 日，瑞典皇家科学院 (The Royal Swedish Academy of Sciences) 宣布了 2010 年诺贝尔物理学奖的得主。荷兰籍俄裔物理学家盖姆 (Andre Geim) 和拥有俄罗斯及英国双重国籍的物理学家诺沃肖洛夫 (Konstantin Novoselov) 由于 “对二维材料石墨烯的突破性实验” ("for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene") 而共同荣获了这一奖项。

在本文中，我们将对这两位物理学家的获奖成果及其意义作一个简单介绍。

一. 来自象牙塔的新材料

电子显微镜下的石墨烯结构

我们先来说明一下什么是石墨烯。这个名称中的 “石墨” (graphite) 二字我们大都不陌生，因为铅笔的笔芯就是由它和粘土混合而成的。从元素的角度讲，石墨是由碳元素组成的。在电子显微镜下，我们可以发现石墨的结构是层状的，每一层的碳原子都排列成紧密的蜂窝状六边形网格，层与层之间的距离则比较大，形成松散的堆砌^[注一]。铅笔之所以在纸上轻轻一划就会留下痕迹，正是这种松散堆砌的结果。那么石墨烯 (graphene) 又是什么呢？它就是单层的石墨。

石墨烯这个名称是从 1987 年开始使用的，但在那之前，就已经有人对这种单层原子组成的二维结构产生了兴趣，因为这种结构比现实世界里的三维结构来得简单，很适合当作例题收录在教科书里^[注二]。通过这种象牙塔式的兴趣，人们开始对石墨烯的性质有了一些理论上的了解。这种了解，加上技术领域对新材料的需求日益旺盛，使人们对石墨烯产生了更现实的兴趣，试图将它由单纯的象牙塔物质 “提拔” 为真实材料。

初看起来，这种 “提拔” 似乎不会太困难。事实上，当我们用铅笔在纸上轻轻划过时，划痕中就可能会出现单层的石墨——即石墨烯。但问题是，铅笔的划痕从微观角度讲实在是太大了，在那里搜寻石墨烯简直就象是在整个喜马拉雅山脉中搜寻一片薄冰，即便找到也只能算是瞎猫碰上死耗子。而科学家们需要的是系统的方法，是可以复制的成功，这却是相当困难的。直到 21 世纪初，人们所达到的最好业绩——即最薄的石墨片——也只能薄到几十层原子的水平。

更糟糕的是，有迹象表明，象石墨烯那样的二维材料有可能是注定只能存在于象牙塔里的。因为早在 20 世纪 30 年代，著名俄国物理学家朗道 (Lev Landau) 等人就已证明，二维材料的热运动涨落会破坏自身的结构。实验上制备石墨烯的种种失败尝试似乎也在佐证着这一结论，比如石墨层越薄，就越容易卷曲成球状或柱状，而无法维持平面结构^[注三]。因此，制备石墨烯曾被很多人认为是注定无法成功的。

但以盖姆为核心的实验组却不信这个邪，决意尝试这一看似不可能的任务。这种尝试对他们来说，乃是一贯作风的延续。因为在盖姆的实验组里，对各种有趣、甚至有趣得近乎荒谬的事情的尝试已经达到了制度化的程度，他们每星期都几乎固定地拿出十分之一的时间来做一种所谓的 “星期五之夜实验” (Friday evening experiment)，专门尝试各种稀奇古怪的事情^[注四]。制备石墨烯的工作也是从一个 “星期五之夜实验” 开始的。经过一些失败的尝试后，他们采用了所谓的 “透明胶大法” (Scotch tape technique)，即用透明胶粘住石墨层的两个面，然后撕开，使之分为两片。通过不断重复这一 “大法”，并辅以其它手段，他们最终制备出了石墨烯^[注五]。

盖姆和诺沃肖洛夫获奖后，许多媒体推出了渲染性的标题，比如 “物理学家用透明胶和铅笔赢得诺贝尔奖”。这种标题容易给人一个错觉，以为那是一项轻而易举的工作。事实上，盖姆实验组制备石墨烯的过程并不轻松，前后持续了一年多的时间，制备出的石墨烯则只有几平方微米，要用高倍显微镜才能观测。而且由于石墨烯是高度透明的，在观测及制备过程中还有一个如何分辨的问题。盖姆实验组解决这一问题的方法，是巧妙地利用了石墨烯在厚度 300 纳米的二氧化硅晶片衬底上产生的光线干涉效应。这一点是他们胜过其它研究组的关键所在。但即便如此，他们当时选用的衬底如果不是二氧化硅而是其它晶片，或者晶片的厚度不是 300 纳米，而是略大或略小，就都有可能无法分辨石墨烯。而他们当时之所以选用了恰到好处的衬底，据诺沃肖洛夫回忆乃是纯属偶然。因此，盖姆实验组的成功背后既有长时间的努力和巧妙的构思，也有运气的成分^[注六]。当然，既然想到了正确的方法，发现合适的衬底应该是迟早的事情，从这点上讲，他们的成就并非偶然。

那么，这种辛辛苦苦制备出来的二维材料在我们这个三维世界里究竟有什么用处呢？在现实的用处出现之前，它在理论上的用处就已经吸引了科学家们的兴趣。物理学家们早在 1956 年就发现，托二维世界的福，石墨烯中的电子运动具有很奇特的性质，即电子的质量仿佛是不存在的^[注七]。这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究所谓相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动，从而必须用相对论量子力学来描述。而更奇妙的是，那种相对论量子力学中的 “光速” 并不是真空中的光速，而只有后者的 1/300。很多科学爱好者也许读过俄国物理学家伽莫夫 (George Gamow) 所写的科普作品《物理世界奇遇记》(Mr. Tompkins in Paperback)，在那部作品中伽莫夫设想过一个光速很缓慢的世界。从某种意义上讲，石墨烯就是那样一个世界，它所具有的奇妙性质为理论物理学家们提供了一片研究相对论量子力学的新天地，使他们不仅可以把一些原先要用巨型加速器来研究的问题搬到自己的小型实验室里，而且还可以研究一些用巨型加速器都未曾有机会透彻研究的东西，比如所谓的克莱因佯谬 (Klein's paradox) 或相对论量子力学特有的所谓 “颤振” (zitterbewegung) 效应，甚至还可以研究弯曲空间里的相对论量子力学——因为在石墨烯这个舞台上，弯曲空间不过就是弯曲的石墨烯而已。这些理论研究不仅题材新颖，而且还特别便于观测，因为石墨烯是二维的，所有现象都出现在表面上，不会象三维材料中的现象那样有可能跑到物质内部去。

除了成为研究相对论量子力学的新天地外，石墨烯还具有所谓的量子霍耳效应 (quantum Hall effect)，这种本身就是诺贝尔奖量级的重要效应以往是要在极低温下才能显现的，石墨烯却能将它带到室温下。诺沃肖洛夫在接受媒体采访时曾经表示，要让物理学家们改变自己的研究方向，必须用比他们所研究的有趣十倍的东西来引诱。石墨烯对很多理论物理学家来说看来就具有那样的魅力，因而吸引了众多的追随者。

二. 通往未来世界的金桥

但石墨烯最吸引人的地方还在于它在现实世界里的可能应用。由于石墨烯的结构极为紧密和严整，哪怕在室温下都几乎没有任何缺陷，最大限度地发挥了众原子 “集体的力量”，这使它不仅有比同等线度的钢铁还高两个数量级的强度，而且还有普通刚性材料难以企及的韧性，可以拉伸 20% 而不断裂。显示这种性质的流传最广的图片，是一幅猫躺在石墨烯制成的吊床上休息的想象图。这种由单层原子制成的吊床居然可以承受宏观物体的重量，无疑是令人惊叹的。那幅图片不够确切的地方，是没能显示出石墨烯的超薄特性。由于石墨烯的透光率高达 97.7%^[注八]，厚度却只有单层原子，因此如果真有那样的吊床，它不仅对于肉眼，甚至对于很多仪器都会是不可见的，我们看到的将是一只悬停在半空中的猫，就象《爱丽丝漫游奇境记》(Alice's Adventure in Wonderland) 里那只柴郡猫 (Cheshire cat) 的笑容一样。

太空电梯想象图

石墨烯如果只用来制作吊床，那显然是大材小用了。它更重要的可能应用是制成超薄、超轻、超强的材料，用于飞机、火箭、防弹衣等对材料性质要求极高的产品中。而它最能扣动人们想象之弦的可能应用，则是所谓的太空电梯。这种早在 1895 年就由火箭理论的先驱者、俄国科学家齐奥尔科夫斯基 (Konstantin Tsiolkovsky) 提出过的迷人设想，一直面临着一个致命问题，那就是找不到具有足够强度的材料来支撑线度达几万公里的巨型结构。石墨烯的出现使很多人重新燃起了希望。

除上述可能应用外，石墨烯的另一类可能应用则倚仗于它的电子运动性质。如我们在前面所述，石墨烯中的电子运动具有很奇特的性质，比如电子的质量仿佛是不存在的，而运动速度是所谓的 “光速”。这些特性，加上石墨烯结构在常温下的高度完美性，使得电子的传输及对外场的反应都超级迅速，几乎达到了人们梦寐以求的境界。体现到物理性质上，这使得石墨烯具有超常的导电性和导热性。这种性能既体现在纯净的石墨烯中，也可以部分地体现在含有石墨烯的复合材料中。而且更重要的是，石墨烯还可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的线度上依然能稳定地工作。相比之下，目前勇挑大梁的以硅为材料的晶体管在 10 纳米 (相当于几十层原子) 左右的尺度上就会失去稳定性；而石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点，又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。事实上， IBM 公司在 2010 年 2 月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了 1000 亿赫兹，超过了同等线度的硅晶体管^[注九]。很多人相信，石墨烯将会成为硅的接班人，引领技术领域一个新的微缩时代的来临。

石墨烯的可能应用还有很多，比如它除了具有超高的强度和韧性外，还有不透水、不透气，以及抵御强酸、强碱的能力，这使它有可能成为制作保护膜的理想材料。而石墨烯既能导电又高度透明的特点，则使它有可能在制作液晶显示屏、触摸显示屏、太阳能电池板等领域大显身手。此外，用石墨烯制作的能快速充电的电池、容量超高的电容、能检测单个污染物分子的污染探测器、能用于量子计算机的特殊元件等，也都在构想或研制之中。

有关石墨烯的论文数量

石墨烯从制备到获奖只用了短短六年的时间，与动辄要回溯几十年去 “考古” 的前几年的获奖成果相比，是非常快的。但在这六年里，由它开启的研究领域呈现了井喷的势头，几乎每个月都有新兴的研究方向被开辟出来。也许在不太遥远的将来，我们会开着由石墨烯电池驱动的车子去上班，在由石墨烯太阳能板提供能源的办公室里，用 “内含石墨烯” (Graphene Inside——取代 Intel Inside) 的计算机从事工作。在假日里——如果有闲钱的话——我们也许还可以乘坐用石墨烯材料建造的太空电梯去地球同步轨道欣赏地月同辉的奇景。这一切奇思妙想都得益于六年前的那项工作。在有关未来世界的构想中，很少有一种材料能象石墨烯那样大范围、跨领域地激发人们的想象力，并使人们因为看到实实在在的希望而有可能投入实实在在的努力。从这个意义上讲，它仿佛一座通往未来世界的金桥。

注释

石墨每一层上的碳原子间距约为 0.142 纳米，层与层的间距则为 0.335 纳米，后者是依靠微弱的范德瓦尔斯力 (van der Vaals force) 结合起来的，因而是松散的堆砌。
当然，这里所谓的 “二维” 不是几何上的二维，而仅仅是指垂直方向上的物理自由度可以忽略的情形。
不过那种球状或柱状的结构对于石墨烯的制备来说虽是 “麻烦制造者”，本身却都是绝顶的好东西：前者是所谓的富勒烯 (fullerene)，它的发现者获得了 1996 年的诺贝尔化学奖；后者则是大名鼎鼎的纳米管 (nanotube)，也是一种令人着迷的新材料。
盖姆曾经因为在这种 “星期五之夜实验” 中进行过 “磁悬浮青蛙” 实验，而获得了 2000 年的搞笑诺贝尔物理学奖 (Ig Nobel Prize in Physics)。他是迄今唯一一位同时获得过搞笑诺贝尔奖和诺贝尔奖的人。
有读者可能会问：既然朗道曾经证明过二维材料的涨落会破坏物质结构，怎么还可能制备出石墨烯呢？答案是，朗道的证明是针对大面积 (理论上是无穷大) 的体系的，而人们最初制备的石墨烯只有几平方微米。另一方面，朗道的证明考虑的是严格的平面，而真实的石墨烯会在三维空间里波动，从而耗散掉一部分涨落能量。因此石墨烯的出现虽然出人意料，却不是不可理解的。
制备石墨烯——尤其是大样品——的难度还可以从另一个角度来印证，那就是石墨烯的价格。直到 2008 年 4 月，石墨烯的价格依然高到令人瞠目的每平方厘米一亿美元，堪称史上最贵的材料。不过最近两年，人们制备石墨烯的能力已突飞猛进，最大样品的线度已超过 70 厘米，价格也已暴跌 (因此千万不要囤积石墨烯，它很重要，但绝不可能使你发财)。
确切地说，那并非电子，而是电子与石墨烯晶格相互作用所产生的准粒子 (quasi-particle)，是石墨烯的低能激发态。
石墨烯的这个透光率 (对应于吸收率 2.3%) 是一个漂亮的理论结果，精确公式为 (1+πα/2)^-2，其中 α (≈1/137) 是所谓的精细结构常数。很多媒体引用的是这一公式的近似式：1-πα。
IBM 所宣称的 1000 亿赫兹其实是 “适度浮夸” 的结果，实际试验中所达到的频率约为 300 亿赫兹。

二零一零年十月十一日写于纽约
二零一零年十月十二日发表于本站
https://www.changhai.org/

附录：获奖者小档案

盖姆 (左) 诺沃肖洛夫 (右)

盖姆 (Andre Geim)：荷兰籍俄裔物理学家， 1958 年 10 月 1 日出生于俄国城市索契 (Sochi)， 1987 年获俄国科学院固体物理研究所博士学位。自 1990 年起，盖姆先后在英国诺丁汉大学 (University of Nottingham)、丹麦哥本哈根大学 (University of Copenhagen)、英国巴斯大学 (University of Bath)、荷兰内梅亨大学 (Radboud University Nijmegen) 等地工作过。 2001 年，盖姆成为英国曼彻斯特大学 (University of Manchester) 物理学教授，并于 2002 年起担任曼彻斯特介观科学及纳米技术中心 (Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology) 主任。
诺沃肖洛夫 (Konstantin Novoselov)：拥有俄罗斯及英国双重国籍的物理学家， 1974 年 8 月 23 日出生于俄国城市尼茨塔吉尔 (Nizhny Tagil)， 2004 年获荷兰内梅亨大学博士学位。诺沃肖洛夫是盖姆的学生及长期合作者，自 2001 年起，与盖姆一起在英国曼彻斯特大学工作。诺沃肖洛夫是自 1973 年以来最年轻的诺贝尔物理学奖得主。