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斷章師爺漫談2010年度諾貝爾物理學獲獎項目石墨烯（四）

作者：light12 於 2010-12-31 23:23 發表於最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

通用分類:網路文摘|已有12評論

時間: 12 31 2010 10:38

作者：斷章師爺 在蘆笛自治區發貼, 來自海納百川

漫談2010年度諾貝爾物理學獲獎項目石墨烯（四）
斷章師爺

本文前面三個部分對於石墨烯的基本概念、發現歷史和電子性能等做了些介紹。下面想站在材料學的角度從縱橫2個方向對石墨烯做些比較。

先從縱向說起，在門氏周期表中，碳、硅、鍺、錫和鉛都是排在第4個縱列的元素。硅原子因為沒有明顯的自由電子，能導電，但導電率不及金屬，且隨著溫度升高而增加，因此具有半導體性質。世界已經進入了信息時代，電子信息技術是各國競爭的關鍵領域之一，硅作為最基礎的原材料，對信息產業的發展起著重要的作用。加州北部的矽谷就是因為早期以硅晶元的設計與製造著稱得名的。加上後來其它科學技術產業的投入，矽谷已經成了高科技產業的代名詞了。石墨烯的元素組成是碳，位於硅之上。撇開它卓越的機械性能和耐熱性能以及薄、柔、輕等特性不說，它特獨的電子結構為凝聚體物理學和量子電動力學等現代學科提供了一個可以進行實驗測試的平台。因此石墨烯的問世有可能開拓出一個創新空間很大的領域，也可以說是一個前沿學科交叉的領域。關於石墨烯即將取代硅的地位而成為信息世界新寵的報導已經出現在各種媒體上。

學過一點數學物理方法的大學生都能根據建立好的模型求出解來。對於這種參數有限，機制不算複雜的體系，數學解預測的物理性能究竟有多少意義？凡是做過實驗的人都是心中有數的。所以對於未來世界(包括未來事件)的預測，我始終是抱著觀望的態度。因此這兒我也只是盡職地搜集一些觀點，集中分類，權作獺祭而已。

認為石墨烯能夠取代硅的呼聲甚囂塵上，例如休斯頓萊斯大學化學系的James Tour教授樂觀地表示，不久的將來我們就能將這種由石墨烯材料製成的屏幕「捲起來，像鉛筆那樣夾在耳朵後面了……未來十年甚至五年內，這種屏幕將充斥整個市場。我想這只是個時間問題。」西班牙科普作家Chema Lapuente說：「石墨烯不僅是為筆記本電腦和顯示器敲響了喪鐘，而且書籍和報紙也應被打入冷宮了。」他的一位同行Elsa Prada更表示石墨烯超出了所有能夠做出的預期：「無數個曾經被認為烏托邦式的理論一個接一個的實現了。石墨烯的出現讓我們可以構想比現代計算機快1000倍的微型集成電路和手機。」

然而反對的聲浪也很渾厚，認為這樣夢幻般的情景與實際還有距離的大有人在。寫公開信譴責「諾委會未曾做功課」的Walt de Heer教授就認為：「石墨烯永遠也不可能取代硅。事實上有些事情石墨烯可以辦到，而硅不可以，反之亦然。」波士頓大學的物理學教授Castro Neto認為從硅到石墨烯的過渡並不是一蹴而就的簡單過程，「與從銅到鍺再到硅的快速過渡相比，硅和石墨烯這兩種材料將長期共存，因為硅市場已經投入了巨大的資金。」美國德州大學奧斯丁分校的化學教授Rodney Ruoff認為：「我還不知道這個領域中任何一個企業中有哪一名僱員，即使他是最好幻想的人，相信有朝一日石墨烯會完全取代硅!作為教授我認為更應該相信的是他們，而不是我那些科學家同行。」台灣中央研究院物理研究所所長吳茂昆教授認為就目前看來，石墨烯的最大問題是如何擴大其尺寸，變大是當前最迫切的目標，否則各種應用前途都會打折扣。馬德里材料科學研究所凝聚體物理學教授Francisco Guinea相信石墨烯「能提高複雜信息系統的性能，但在相當長的一段時間內，大部分集成電路仍將是硅質材料製作的」。

綜上所述，我對於「Goodbye Silicon Valley, Hello Graphene Gulch？」的回答是「Wait and See」。

接下去，我想再對石墨烯作一個橫向的比較。幾乎在所有介紹石墨烯的資料中都可以看到一張示意圖，從左至右排列著一些由六邊形的網格組成的圖形，它們分別是空心圓球、空心圓柱和空間立體，在這三種圖形的上面則是一個網格平面。圓球的下面標著0D；空心圓柱的下面標著1D；空間立體的下面標著3D；網格平面的下面標著2D。這4種網格六邊形組成的圖形代表各種不同維度的石墨：0維的C60、一維的納米碳管、三維的石墨和二維的石墨烯。現在比較通行的觀點認為二維的石墨烯是各種石墨形式之母。將石墨烯包裹可以得到球狀的C60；將石墨烯捆卷可以得到圓柱狀的納米碳管；將石墨烯逐層堆砌可以得到塊狀的石墨。這四者都是碳的同素異性體。

進入21世紀以來，納米兩字雖然還沒有到達婦孺皆知的地步，對於常看報刊和電視的人來說至少是耳熟能詳的。納米材料的種類繁多，各種粉末纖維和薄膜的製品成千上萬。其中性能最突出的是譽為「納米王子」的C60。

C60的分子結構為球形32面體，由60個碳原子以20個六元環和12個五元環連接而成的中空球狀。C60又稱為巴克球（Buckyball），這是為了紀念美國建築師Richard Buckminster Fuller（1895-1983）為加拿大世界博覽館設計的球形圓頂薄殼建築。

英國Sheffield 大學的Harold Walter Kroto 以及美國Rice 大學的Robert Floyd Curl, Jr 和Richard Errett Smalley 等通過使用激光汽化石墨，首次製得了由60個碳組成的具有原子簇（cluster）結構的分子C60，他們三位因此而獲得1996年度的諾貝爾化學獎。

碳納米管是在1991年初由日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高解析度的透射電鏡從電弧法生產的碳纖維中首次發現的。可以毫不誇張地說，碳納米管的發現開拓了納米時代。飯島澄男因此獲得三十來項國際獎狀，其中包括瑞典皇家科學院頒發的阿米諾夫獎狀（Gregori Aminoff Prize）以及美國的富蘭克林物理學獎章（Benjamin Franklin Medal in Physics），遺憾的就是與諾貝爾獎無緣。

C60、碳納米管和石墨烯問世后都受到物理、化學和材料科學界以及高新技術產業部門的極大重視。

上述0維的C60和一維的碳納米管都是富勒烯家族的成員，富勒烯是完全由碳組成的中空球型、橢圓型、柱型或管狀分子的總稱。富勒烯（Fullerene）的名稱也是為了紀念美國建築師Richard Buckminster Fuller。

0維的C60因為具有比較高的電荷遷移率，所以是極好的有機電子受體，主要用作超導材料、有機軟鐵磁材料、光學材料、功能高分子材料（引入功能基團）以及生物活性材料（連接具有生物活性的衍生物）等。一維的納米碳管根據直徑和螺旋角的不同既可呈現導電性也可作半導體，大量地用作電子材料、結構材料、顯示材料、燃料電池（吸附碳氫化合物）和能源（儲存氫氣）以及感測器材（探針）等。二維的石墨烯厚度最薄，強度很高，電子的輸送速度達到費米數量級（約為光速的300分之一），目前偏重於它在物理學（微觀領域）的研究，作為材料和在化學領域中的應用還遠遠少於物理學。

石墨烯的前景輝煌與否，我們不妨拭目以待。關於石墨烯，就談到這兒。再留些篇幅給石墨烯的發現者，聊助談資吧。十分遺憾，我無緣與這兩位諾獎得主謀面，也沒有機會讀到他們的傳紀（可能很快會蜂擁而出）。只能從網路上採擷些許與他們有關的花絮進行介紹，並在後面加些自己的看法。

A.K.Geim 1958年出生於前蘇聯，后加入荷蘭籍，現在英國的曼徹斯特大學物理系任教授。Geim的雙親都是原籍德國的工程師，他本人高中畢業后，兩次通過莫斯科工程物理學院的考試，但是未被錄取。據Geim的中學班主任老師說，他經過苦讀，終於進入大學，到後來才明白是因為自己的出身有問題，所以兩次未被錄取。（師爺按：可見文革前我國在招生中貫徹的成份路線來自老大哥。）他後來進入了莫斯科物理技術學院，在該校念完碩士后，又在前蘇聯科學院固體物理學研究所繼續學習，並得到金屬物理學博士學位。以後，他分別在荷蘭、英國和丹麥等國做博士后研究。1994年成為荷蘭Radboud大學的助理教授，2000年被聘為英國曼徹斯特大學的物理教授。

Geim回憶大學期間的生活時曾說過「那時工作和學習的壓力是如此沉重，休息和休假是極其難得的稀罕事，有些同學因為抑鬱患上精神分裂症而自殺了。」在Geim 獲得諾獎后，莫斯科物理技術學院的網頁公布了他的全部成績單：除了馬克思主義政治經濟學和英語得過幾次「4分」之外，其他科目幾乎全部是「5分」。（師爺按：蘇俄的五級計分制中，「5分」代表優秀、「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說他之所以分別在荷蘭、英國和丹麥等國做博士后，是因為「可以把全部時間用於科學研究，而不必顧忌政治活動，所以決定離開俄羅斯。」（師爺按：Geim教授明智地跨出了關鍵的一步，否則他有可能與諾獎終身無緣。）

Geim在特拉維夫參加第二屆國際納米科技會議時說「我母親的祖母是猶太人，我在俄羅斯遭到過反猶太主義者的麻煩，因為我的名字聽起來象猶太人。所以，我認同你們（掌聲）。儘管如此，我並不根據宗教或者國家劃分世界，而是根據愚蠢的人和稍微愚蠢的人來劃分。我希望我能歸入第二類（笑聲和掌聲）。以色列有一些文化特徵使得他們第二類人的比例特別高（熱烈的掌聲）。」此外，10月28日他和另外37位諾獎獲得者一起簽署了一項反對以色列對於學者、學術機構和研究中心實施抵制、撤資和限制的聲明（師爺按：看來Geim教授不僅在血緣上與猶太民族相關，在現實生活中也確實是認同以色列國的。）

Geim曼徹斯特大學的同事說他「是個性格隨和，心情開朗的傢伙，不拘小節，總是把實驗室弄得亂糟糟的」。Geim告訴ScienceWatch 網站的記者，他至少要花費10%的時間從事一些匪夷所思的「瘋狂」試驗。每個星期五晚上，他和組員都呆在實驗室里干這些瘋狂的事情。至於是否可能成功他從來不去計較。Geim曾經使用電磁力讓一隻青蛙在磁場中騰空懸浮，這個戲法似的「會飛翔的青蛙」為他帶來了2000年的《搞笑諾貝爾獎》( Ig Nobel Prize，這是一個由美國非官方人士評選的玩笑「獎項」。設立該獎的目的是首先讓人們發笑，然後使人們思考。帶動和引發人們對於科學、醫學和技術的興趣。通常在諾貝爾獎公布之前頒獎，頒獎地點以前在麻省理工學院，現在為哈佛大學的Sanders 劇場。Ig源於拉丁文ignobilis，表示不名譽的、大眾化的和口味低下的意思。取這個名稱含有自嘲的成分。)當時已被曼徹斯特大學聘為物理系教授的Geim興緻勃勃地飛到美國，笑容可掬地到場領取獎狀。 Geim還參與過一個稱之為壁虎膠帶的研究，這種粘接劑模仿壁虎腳掌的特殊構造，因此具有強烈的吸著能力，開發這種仿生膠帶是為了能像蜘蛛人那樣自由地攀登各種高樓陡壁。(師爺按：看來Geim教授性格詼諧，不乏幽默，而且具有強烈的好奇性。這種以好奇心為動力，寓科研於玩樂的精神不僅大膽、新奇，而且富於漫畫色彩的誇張。不知是源於他外曾祖母遺傳的猶太背景？還是得益於他父母給予的德國血統？或者是對於他本人接受過的一整套蘇俄教育思維的反彈？)

12月10日Geim應邀在斯德哥爾摩皇宮做獲獎者發言，對於歐盟委員會頗有微辭。他談到「人類的進程始終是被一種冒險和非常規的思維的感覺所驅使的。但是置身於「麵包與馬戲」（師爺按：這是一個隱喻，指人們為了食物和樂趣而放棄了公民義務，追隨統治者的意旨，源出拉丁文panem et circenses。)的召喚中，為了謹慎和現在統治世界的政治正確性的緣故，這些美德是常常被遺忘了。而我們則從民主越來越深地陷入到了一種平庸甚至愚蠢的狀態。如果你需要一個例子，只須看看歐盟主持的研究資金就足夠了。」（師爺按：荷蘭《共同日報》(Algemeen Dagblad)在當日24小時的滾動新聞中披露Geim教授本人從2007年起分別獲得荷蘭代爾夫特理工學院、蘇黎世聯邦理工學院和英國帝國理工學院的科研基金。這三所大學均是IDEA 聯盟的成員，後者與歐盟旗下的歐羅巴投資銀行有密切的聯繫。)

12月11日Geim參加在瑞典皇家Bernadotte圖書館裡面召開的「天才猜測」座談會。當主持座談會的BBC駐美國新聞辦事處主任Matthias Frei就劉曉波博士未能出席諾貝爾和平獎授予儀式一事，徵詢大家的看法時，Geim嘲諷了挪威議會的選擇：「是的，我認為（挪威議會）持一種居高臨下的態度：『我們將及時地把我們西方世界的價值觀念傳布到那些國家去，甚至中國。其實，那兒的大多數人民對於許多事情具有完全不同的看法。』……過去十年，中國不僅經濟在發展，即使是最強的人權支持者也得同意那兒的人權已經得到了改善。我們有什麼必要去歪曲真相呢。」（師爺按：不知道這位用腳投票離開俄羅斯加入了荷蘭籍，並長期定居英國的物理學大師怎麼會得知中國的大多數人民的看法？中國的人權狀況是否已經得到了改善？又是誰在歪曲事實真相呢？Geim教授說這番話的口氣與我們黨報社論倒是如出一輒，奇怪的是莫斯科物理技術學院的馬克思主義政治經濟學教師當年為什麼只給他打了個4分？）

與會的諾貝爾文學獎獲得者Mario Vargas Llosa針鋒相對地提出：「我不同意你的看法，認為自由、寬容和反對統治者的權利只存在於富裕的西歐或發達國家。去詢問一下中國的人民，你可以聽到他們想些什麼。因為對於拉丁美洲國家，以前也有過同樣的說法：拉丁美洲國家什麼都沒有。自由和民主只是為了發達國家，而不是為了貧困國家。然而，當詢問拉丁美洲或者第三世界的人民想逃離還是生活在獨裁統治下，答案其實是非常清楚的!」（師爺按：年逾古稀的Llosa絕對是位人物。他上世紀50年代在大學念書時就參加過秘魯共產黨，60年代曾多次造訪古巴的卡斯特羅，90年代以聲望最高的候選人資格參加秘魯總統大選，在第二輪競選中才以微弱少數輸給日裔候選人藤森謙也。）

Geim王顧左右，在Llosa的追問下只得回答：「你指的是這個問題麽，唔，我想是的。」

Llosa一針見血地指出：「但是，這（二者）顯然是相關的？」

當座談會主持人Matthias Frei向Geim指出：「但是，劉博士已經被囚禁了多年，作為一個簡單的刑事描述，僅僅是因為他表達了自己的意見。這是對的還是錯的？這不是一個很簡單的問題嗎？」

Geim也同意：「這確實是一個很簡單的問題，他絕對必須離開監獄。這是毫無疑問的。」（師爺按：畢竟Geim教授與胡總領導下的敝國政府的袞袞諸公還是有區別的，至少他承認必須釋放劉曉波博士。）

但是Geim話鋒一轉，仍然譴責挪威議會：「問題是中國是否應當受到壓力？」（師爺按：究竟是中國政府對挪威施加壓力？還是中國受到由5位挪威議員組成的諾貝爾和平獎委員會的壓力？這個問題Geim教授需要弄弄清楚。）

接著Geim又滔滔不絕地談起「……我有很多中國同事。他們認為緩慢地實行民主才是可取之道。他們都害怕象俄羅斯那樣從專制直接走向民主會導致國家經濟的崩潰。」（師爺按：這句話倒還言之成理。）

一旁的Llosa卻不依不饒地追問他：「那麼東歐的情況呢？東歐國家的體制轉型是相當成功的：波蘭、匈牙利……」

Geim頓了一陣后，反問他：「聽說你沒有在俄羅斯居住過？」（師爺按：Geim教授也學會了在關鍵時刻祭起「國情特殊」這一法寶。）

對面的Llosa臉色大變，氣氛頓時劍拔弩張。座談會主持人Matthias Frei眼看一場大戰不可避免，連忙撥轉話題，詢問經濟學家Dale T. Mortensen 。（師爺按：物理學教授Geim真要和文學大師兼政黨魁首Llosa較勁的話，可能不會有好果子吃。）

下面再說說Novoselov博士。他和Geim是莫斯科物理技術學院的先後同學。他去荷蘭Radboud大學念博士時，Geim是他的指導教師之一。Geim赴英后又邀他去曼徹斯特大學做博士后研究。

據NatureNews報導，Novoselov博士發表的33篇論文總共被引用過2895次，因而榮登2008年度國際科學論文的榜首。（師爺按：2008年Novoselov博士就已經取得如此成就，確實是一位了不起的天才人物，難怪這位「70后」的中生代在兩年後會贏得諾貝爾物理學獎的殊榮。）

俄羅斯《共青團真理報》記者在電話中採訪Novoselov，詢問他對於俄國和英國的看法。Novoselov說：「俄羅斯是祖國，英國是現在工作和生活的地方。你知道，這是根本不同的嘛。我，哦，是的，我特別喜愛塔爾河與烏拉爾森林，世界上沒有比那兒更可愛的地方了!俄語，普希金怎麼說來著『俄語是我唯一的支柱與靠山。』 (經《共青團真理報》記者指出其實是屠格涅夫說的)。……我不喜歡（英國）報紙上對（俄國）的報導，是一種很走樣的歪曲。……愛國主義怎麼成了貶義詞，我想這是一種很好的傳統，就象Песня о Родине一樣。」（師爺按：Песня о Родине中文譯作《祖國進行曲》，就是「我們祖國多麼遼闊廣大，她有無數田野和森林，我們沒有見過別的國家可以這樣自由呼吸……」那一首歌。據說現在俄國的電影，一演到勞改營的場面，就放這支曲子。）

在談到大學學習時，Novoselov說：「自然羅，我的數學和物理學基礎就是在那裡打下的。」莫斯科物理技術學院的網頁上也公布了Novoselov的全部成績單，教師的評語表明他的好幾門物理學課程都學得「有些吃力」，其他科目更是一大堆「4分」，英語還曾經得過「3分」。（師爺按：這不奇怪，愛因斯坦也曾經被他的校長認為是個「幹什麼都不會有作為」的笨學生。）

在「天才猜測」座談會上，Novoselov 追隨他的老師Geim 說道：「什麼是獨裁的定義？人民並不能執行右和左的政策。這只是一種很簡單的治理大國的手段。……中國對於科學研究投入了大量的經費。我們的很多中國學生都希望回國去。他們看到了一個輝煌的前景。他們並不認為他們的人權會遭到侵犯。」（師爺按：顯然在Novoselov博士看來，對於一個國家政策的左和右，人民是無能為力的。至於中國這麼大一個國家，那就無論使用什麼樣的治理手段也談不上獨裁了。他還認為因為中國政府對於科學研究投入了大量的經費，所以中國學生的人權就不會遭到侵犯了。）

書抄得太長，該結束了。我這兒名曰介紹，其實是既凌亂又無章。用這種手法剪貼出來的A.K.Geim和K.S.Novoselov，自然不是兩幅完整的肖像，至多只是七巧板式的遊戲拼圖而已。

最後，恭祝蘆區網友在新的一年中健康，平安，快樂!

斷章師爺 2010年歲尾

（全文完）

ZT