石墨烯的發現（摘編）

石墨烯將取代硅，為世界電子科技開創一個嶄新的時代。

石墨烯手機充電時間只需5秒，電池就滿檔，可以連續使用半個月。

石墨烯電池只需充電10分鐘，環保節能汽車就有可能行駛1000公里。

石墨烯到底是什麼物質？石墨烯是世界上最薄、最硬的材料，於2004年問世，發現石墨烯的英國曼徹斯特科學家安德烈·海姆（Andre?Geim，AG）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin?Novoselov）憑藉着這一發現獲得2010年諾貝爾物理學獎。

所以我們就來認識一下今天的主角——Andre?Geim（以下簡稱AG）。他的科學才華無與倫比。在他的眼中，科研是一個滿足自己好奇心的遊戲。並且在十幾年的時間中，玩耍出了很多驚世駭俗的科學成果。

但當他還是一隻科研狗的時候，也曾經四面楚歌，苦到飯都吃不起的地步。然而他終於發現了石墨烯，使人類的科技從硅時代一躍進入碳時代，並為自己贏得了諾貝爾物理學獎。

他的成功證明一個真理：好奇心才是科學的第一推動力。

AG在35歲以前，是一個養家糊口都犯難的主兒。

AG 上世紀80年代進入俄羅斯科學院攻讀固體物理學博士學位。導師給了AG一個不怎麼需要花錢的課題，然後…AG就花了5年的時間，想着怎麼在這個垃圾課 題中找出一點有價值的東西。他努力了，並且發表了5篇論文。但一個學術網站的編輯對AG說，他這5年做的研究完全是一坨“米田共”。

多年後，AG在回憶這段研究歲月時“深情”地說：“我還是從中學到了一些讓我受益終身的東西，那就是絕對不要讓你的學生研究那些已經死了很久的課題方向。”

1987年他拿到自己的博士學位後，進入俄羅斯科學院，開始了一條科研狗的生活。

AG找了個機會跑到英國做博士後，隨後幾年中又分別去了丹麥、荷蘭，其實就是去這些發達國家的實驗室里打工掙錢養家糊口。

由於之前一直沒有做出什麼亮眼的成果，也沒有發過什麼好論文。所以，AG到哪兒都是一個無名小卒，無人問津。時間一晃，他已經36歲了，基本上一事無成。沒有自己的科研團隊，沒有研究方向，更沒有豐厚的科研經費。

如果是在中國，他這樣的科研狗已經被很多所謂的專家們在科研上判死刑了，用來作為反面教材教育年輕人要好好聽話、老實幹活、多發文章。

被中國專家緊握着手，AG只能“呵呵”了

一個偶然的機會，AG成為荷蘭一所大學的副教授。為了能專心做科研，不再為五斗米奔波，他選擇加入荷蘭國藉。吃飯問題解決後，他那被雪藏已久的好奇心開始越來越強地控制了他的大腦。

他所在的實驗室中，有一台能產生20特斯拉的超導磁鐵，幾乎是人類製造出的最強磁場。嗯…這個怎麼形容呢，就是比我們日常見到的電磁鐵磁性強幾十甚至上百倍吧。如果在這樣的磁場周邊放上刀叉之類的鐵器，估計會馬上變成小李飛刀。

沒有科研經費的AG，竟然打起了這台超導磁鐵設備的主意。

磁學有一個特別有意思的特性，就是當物體在磁場中運動時，物體中會產生與運動方向相反的力，抵抗物體的運動。

有關這點，大家只要記住一點就夠了：所有的物質都有抗磁性，也就是會抗拒被磁場磁化。只不過有些物質的順磁性或鐵磁性太強，如磁鐵，將抗磁性掩蓋了，從而表現出磁性。另外，由於抗磁性係數不同，產生的斥力大小相差也很大。

那麼，磁學的這一個特性，有什麼好玩的地方呢？看看下面令人大開眼界的動圖。

這個有趣的現象又被稱為“羽落術”。這裡使用了一塊釹磁鐵和一隻粗銅管。釹磁鐵產生磁場，而銅是優良的抗磁性物質。運動的磁場與銅管相互作用，銅內產生感應電流，通過電磁作用產生向上的斥力阻礙了釹磁鐵下落。從而，產生畫面中重物在空氣中緩慢下落的神奇效果！

哈，AG終於要登場了。吃飽喝足後，他不可思議的創造力，絕對可以在科學史上寫下濃墨重彩的一筆。他往20特斯拉的磁場中倒水……沒錯，就是倒水！ 這要是在中國，老闆看到哪個科研狗膽敢往高級儀器中倒水，一定會讓這隻科研狗腦子進水……

上帝的秘密就這樣被AG發現了。一滴渾圓的水滴，像失去了重力一樣懸浮在磁場中！

水為什麼會懸浮在磁場中呢？其實，水分子也具有抗磁性，只不過非常小，如果是一般的磁場，產生的斥力與水滴受到的重力相比，完全可以忽略不計。但AG所用的磁場是如此之強，足以使水滴克服地球重力懸浮起來。

當然，AG絕不會滿足於把一滴水懸浮在空中的。生物體內絕大多數都是水份，而且，蛋白質等也是抗磁性的。問題來了：生物如果在強磁場中，會像水滴一樣懸浮起來嗎？於是，他把活的生物體也扔到了那個威力巨大的強磁場中。其中，最搞笑的是一隻青蛙。

當青蛙被放到磁場中，青蛙的每個原子都像一個小磁針，外界磁場對這些小磁針作用的結果產生了向上的力，如果磁場的強度適當，這力與青蛙受的重力達到平衡，它們就能懸在空中。懸浮的青蛙，也為AG贏得了2000年的搞笑諾貝爾物理學獎。

這隻青蛙，大概是第一個沒有受外力作用，比如氣流等，而能夠在地球上懸浮的活體生物了。

說到這裡，大家肯定自然而然地會想到，人體是否也能懸浮在磁場中。從理論上說，是完全沒有問題的。利用抗磁原理，只要用足夠強的磁場，經過周密的設計，將來就有可能使人體在磁場中懸浮起來。

AG搞笑的本色並未就此停止，他後來做的一系列逗逼科研更是有增無減，甚至為他贏得了真正的諾貝爾獎。

AG發明了一種膠帶。嗯，先別急，如果你知道這個膠帶的背景，就知道這個發明有多腦洞了。

在電影《諜中諜4》中，阿湯哥曾戴着一雙“壁虎手套”，順着玻璃牆，徒手攀爬世界第一高樓——哈利法塔。

當然，這只是電影的一個橋段，壁虎手套是人們想象出來的。但在自然界中，壁虎爬牆的本事，卻真的讓人類垂涎三尺。無論是粗糙的樹幹，還是光滑的玻璃，壁虎都能行走如飛。壁虎為什麼有如此神奇的本領？原來，秘密就在壁虎的腳掌上。

人們曾經以為壁虎的腳掌能在各種材質的牆壁上行走，是由於粘液或腳掌上小吸盤的幫助。但這些假設很快被實驗推翻了。簡單想一想就能明白，如果壁虎是被粘液或吸盤牢牢地吸附在牆上，它怎麼能夠靈活地邁步呢？所以，壁虎行走的迷題一直沒有很好的解釋。

直至2000年，美國科學家用電鏡放大觀察壁虎的腳掌，發現壁虎的腳掌充滿了無數小的毛狀物體。由於這些物體比較硬，又稱為“剛毛”。那些看似小鈎子一樣的剛毛末端，實際上是開叉的，每根剛毛都分成了100-1000根更細的絨毛，這些絨毛的尺寸小到納米級品。

因為這些絨毛如此之小，以至於整體的表面積大大提高。極大的增加了壁虎腳掌的表面積，特別是當壁虎攀在那些粗糙的物體表面時，這些絨毛更能填滿那些細小的坑窪。

現在要說的，就是壁虎最牛的地方了。它根本不是靠人們想像的宏觀條件下的力吸附。它依靠的是剛毛上的小絨毛，與牆壁產生的范德華力——也就是說，是它腳掌上的分子與牆壁分子間產生的力！

說到范德華力，是一種發生於分子與分子之間的吸引力。下面的小實驗可以讓你體會到范德華力的力量。

找兩本厚一點的書，最好是紙張薄軟一點的，像洗撲克牌一樣把兩本書的書頁一張壓一張的疊在一起。全部疊完後用手壓一壓，然後分別抓住兩本書的書脊，試試能把它們拉開嗎？把兩本書“粘”在一起的力量，就是范德華力。

如果你沒有耐心把兩本書一頁一頁的交疊，也可以去買一部新手機。很多人都特別享受揭開新手機屏幕保護膜的那個瞬間，其實那層膜就是靠范德華力“粘”在手機屏幕上的。

相比讓原子構成分子的那些作用力，范德華力很小，生活中我們往往不會在意到它的存在。但是這個很小，只是相對來說的。億萬根這樣的絨毛足以產生巨大的吸引 力，從而可以使得壁虎爬上任何物體表面，甚至玻璃的天花板。有科學家測算，壁虎腳掌上剛毛產生的吸附力，可以達到其體重的50倍。

聽到這兒，是不是覺得壁虎超級牛B？人類文明發展了上萬年，也就是近一、兩百年，才開始認識到原子、分子間力的作用。而壁虎，則早已運用分子間的范德華力吸附在牆上傲嬌幾百萬年了。

現在該輪到我們的科研男神AG登場了。

壁虎腳掌這麼好玩的課題，當然不會逃脫AG的視線，他一時興起，就想試試能否做出像壁虎腳掌一樣的膠帶。這種膠帶最大的優勢是可以反覆使用，而且吸附力強大。未來，人類也可以像壁虎一樣自如攀爬高樓，《諜中諜4》中的鏡頭絕不是夢。

於是，他模擬壁虎腳掌的結構，在一種高分子材料（聚酰亞胺）上進行刻蝕，製造出單個微突起直徑為500nm，高2μm，以間隔1.6μm周期性排列的表面。製作了一片小小的膠帶。放大後，膠帶表面是這個樣子的（密集症患者迴避～～～）：

這種膠帶中每0.5平方厘米負重可達300克的物體。如果要把一個人粘在牆上，用一張A4紙大小的膠帶就足夠了。而且這種膠帶可反覆使用，被稱為“壁虎膠帶”。

這一次，把蜘蛛人（模型）牢牢地粘在天花板上。於是……世界媒體又沸騰了……這是人類為數不多地仿照動物身體微觀結構，製造出的神奇材料。仿生材料學，自此進入研究高潮。

現在，全世界都對AG充滿了期待——他又會玩出什麼讓人眼前一亮的科學成果呢？

哦，順便說一句，受AG的啟發，美國的科學家們已經真正地發明出了“壁虎面板”。並且成功地攀爬上一面二十幾米高的高牆……是不是有種想立刻爬牆的衝動？

時間又到了2004年，這一年，AG想玩一次大的。

現代人類對於物質結構已經有了一個相對明確的認知。如果從原子尺度觀察物質結構，原子們就是像搭樂高積木一樣構建出我們這個千變成化的物質世界。

而在人們所認知的結構中，石墨絕對是一個另類。石墨的晶體結構是層狀的，靠微弱的范德華力把相鄰的兩層貼合在一起。層與層之間充斥着大量的電子，因此，石墨是良好的導電體。

而單個石墨層，則是碳原子與碳原子相互連結形成正六邊形，並延伸成一張無限大的原子網。這張網上的原子連結的是如此結實，以致於這張網比鑽石還硬。

有過削鉛筆經驗的小夥伴們都很清楚，鉛筆中的石墨芯是很軟的，而且很容易就掰斷了。用鉛筆書寫，其實就是一個將芯上脫落的石墨顆粒留在紙面上過程。

這是因為石墨相鄰分子層粘合的力很弱。石墨層很容易發生相互移動或剝離。就像下面這幅圖示意的一樣。

隨着現代化科學儀器的不斷進步，人類研究的尺度也越來越小。已經進入到納米、甚至更小的原子級別。然而，儘管人們對石墨的結構已有了完全的認識，甚至預言了單層的石墨可能會具有非常好的物理性質。但如何把石墨不斷地磨薄，薄到只有一個原子的厚度，這個世界難題還是讓所有的科學家們望而卻步了。甚至有些科學界的大腕們斷言，單層的石墨是不可能獨自存在的！所有妄想做出單層石墨的人，都是痴人說夢。

馬雲的這句話很精闢：夢想還是要有的，萬一實現了呢？於是，AG果斷地把一塊石墨遞給一個研究生：“去，把它磨到最薄！”

那個研究生當時就暈菜……鐵杵磨成針已是極致，你居然讓我磨到原子量級……

於是這個研究生天天沒命地磨石墨，幾個月後，已經磨到最薄，實在磨不下去了。拿來一測量，還有幾千個原子層厚，他絕望了……於是撒手不干，老子不玩了。

此路不通，AG只好再尋他途。這時，他看到學生用透明膠帶貼在石墨表面，就問學生為什麼這麼做。學生說膠帶可以把表面一層髒的石墨撕下來，再用乾淨的表面來磨。

瞬間，AG的腦洞亮了。他把撕後的膠帶放到顯微鏡下觀察，發現膠帶上的石墨厚度比那個研究生辛苦磨出來的石墨片薄多了，有些甚至只有幾十個原子層厚。

於是，史上最簡單粗暴，駭人聽聞的科學實驗誕生了！AG真的反覆用透明膠帶粘在石墨上，然後一遍又一遍地撕膠布，直到膠帶上的石墨越來越薄，直至一個原子的厚度，也就是獲得了單層的石墨，又被稱為——石墨烯。

在石墨烯中，六邊形的原子結構清晰可見

大家應該都有過用膠帶粘紙上的錯字的經歷。而AG製備單層石墨烯的過程與之類似。

AG再次向世人證明，解決具有挑戰性的科學問題，往往不需要用高深的理論或複雜的儀器，需要的，更多地是人們對日常生活細緻的觀察與靈活地運用。

擁有搞笑諾貝爾物理學獎的AG，因為率先做出石墨烯並測試了相關的物理性能，獲得了2010年諾貝爾物理學獎。這一次，是貨真價實的諾貝爾獎。

關於石墨烯，再囉嗦幾句。有人把石墨烯喻為人類在21世紀最重要的材料。石墨烯導電性極好，而且幾乎透明。未來幾年將運用到手機屏中。而且石墨烯強度極高，秒殺鋼鐵等材料。已經有人腦洞大開，準備未來用石墨烯修建通往太空的軌道。

AG的故事還遠沒有結束，全世界的人都在盯着他，這個富有超級想象力的人！