石墨烯诺奖得主的中国情缘

刘国伟

单层石墨烯一度“徒有虚名”

2010年12月，康斯坦丁·诺沃肖洛夫与其老师英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆因为“在二维石墨烯材料的开创性实验”，一起获得2010年诺贝尔物理学奖。那么，这两位科学家在石墨烯领域为什么能够取得突破？

从19世纪中叶起，不断有科学家开始关注到石墨结构的特别之处，并从各方面开展研究。1947年，加拿大理论物理学家菲利普·华莱士首次探索了石墨烯的理论。随着科学家们在电子显微镜下观察到层叠在一起的石墨薄片，如何通过化学剥离获得单层石墨烯的问题，就提上了科学界的日程。1986年，3位科学家造出了石墨烯（graphene） 一词，它是由石墨（graphite）的前5个字母和一个表示烯类物质的后缀（-ene）构成。

虽然有了自己的名字，但是石墨烯当时仍是一种假设性的结构，因为在自然界中它无法稳定地单独存在。在很长时间里，科学研究止步于多层石墨烯组成的污泥状物质。只有成功地在实验中从石墨中分离出单层的石墨烯，才能证实它可以单独存在。通过机械剥离，制造更薄的石墨结构的努力在上世纪90年代就开始了，但是科研人员劳而无功，因为加工到几十层结构的时候就难以继续推进了。由于苦求单层石墨烯而不可得，科学界甚至有人开始怀疑单层石墨烯是否真的存在。

2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫独辟蹊径，用一种匪夷所思的方法制出了单层石墨烯结构，此举惊动了当时的科学界。他们是怎样做到的呢？

用胶带撕出来的石墨烯

安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫两人的成功离不开天时地利人和，但更离不开他们坚持不懈的努力。

所谓天时，是指研究界在石墨烯的制备方面已经做了相当长时间的摸索，走过无数条的死胡同，也为后来者提供了许多有用的信息。所谓地利，是指曼彻斯特大学为两人的研究提供了高分辨率的仪器设备，使精通低温扫描隧道显微镜的工作人员，可以从原子级别看到石墨烯的晶体结构。所谓人和，是指两人富有特色的合作模式“周五之夜”。他俩经常在周五的晚上尝试不同的实验方法，虽然这些实验与自己的日常工作未必有直接关系。这种头脑风暴激发下的没有思想包袱的尝试，最终打动了幸运女神。

2004年的一个星期五，两位科学家从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分為二。如此不断地反复操作，石墨薄片变得越来越薄。最后他们在显微镜下观察到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是几代人苦求不得的石墨烯。

两人迅速将研究成果整理成论文投给了英国《自然》期刊，但《自然》拒绝发表。两人转而把论文投给了美国的《科学》杂志，《科学》杂志如期发表了他们的成果。可见，从实验过程到发表成果，这期间如果在某个环节上被卡住，如此巨大的荣誉也许就会花落别家。成果问世后仅仅6年，两人就获得了诺贝尔奖，从出成果到拿诺奖的时间之短，这在诺奖历史上是非常罕见。

老师：十年两次获“诺贝尔奖”

安德烈·海姆1958年生于苏联索契（今属俄罗斯），有德裔血统。据他本人讲，德裔血统让他受到歧视，曾经导致他两次求学受挫。一番周折后，他于1987年在俄罗斯科学院取得博士学位。随后，他到荷兰和英国从事科研工作，从此离开了俄罗斯。这一经历不仅使他最终把事业发展地定在英国曼彻斯特，获得了荷兰和英国国籍，而且还在荷兰奈梅亨遇到了一位优秀的学生，也就是后来同获诺奖的研究伙伴康斯坦丁·诺沃肖洛夫。

身为一名优秀的物理学家，安德烈·海姆“保持好奇”的特质也许是最让人印象深刻的。为人们津津乐道的是，早在2000年，安德烈·海姆就因为“悬浮青蛙”试验获得过一次“搞笑诺贝尔奖”。原来，海姆的实验室里，有一台能产生强大磁场的设备。海姆曾经别出心裁地把水、水果乃至青蛙扔进去，结果发现被丢进去的物体和青蛙都能悬浮。海姆也因此获得2000年的搞笑诺贝尔奖。10年后，海姆“再次”荣获诺奖，从而成为迄今唯一既获得“搞笑诺贝尔奖”，又获得真正诺贝尔奖的科学家。

提起两次获奖经历，2013年海姆说出了自己的内心感受：“坦率地说，对‘搞笑诺贝尔奖和真正诺贝尔奖我是同样重视的，一点自我贬损总是有益的。”

徒弟：艺术才子的中国情缘

康斯坦丁·诺沃肖洛夫1974年出生于苏联乌拉尔山地区的工程师和教师家庭。这位70后的成长环境中有着浓厚的技术氛围，他从小就喜欢拆卸零件和做实验。康斯坦丁取得的成就和自己的辛勤努力密不可分。《环境与生活》杂志记者从全球著名的多学科学术研究社区网站researchid.com上了解到，截至本文发稿，康斯坦丁共发表了336篇经过同行评议的论文;从2007年到2014年，康斯坦丁的论文被引用率一直高居全球科研人员第一梯队。从他的年龄来看，能做出如此数量的高质量研究成果无疑是十分惊人的。

不过，这位年轻诺奖得主的艺术才情丝毫不逊于其科学成就。2015年2月，曼彻斯特惠特沃斯美术馆开幕时，他在场馆中展示了个人美术作品，他还对科学家和艺术家之间的联系谈了自己的看法：“二者必须通过天才的实验或想法来揭露最有趣的现象。之后二者必须有所不同：因为科学家开始研究许多现象之间的共性来描述最普遍的规律，而艺术家可能会尝试研究个体而不是整个人群。但我们只是同一枚奖牌的两面。”

康斯坦丁荣誉等身，他获得了曼彻斯特市荣誉自由勋章、英国帝国骑士勋章和荷兰狮骑士勋章。但最让《环境与生活》记者印象深刻的是他的中国情缘。

2015年10月23日，中国国家主席习近平参观曼彻斯特大学国家石墨烯研究院时，听取了安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫对石墨烯研究情况的介绍。英国物理学会旗下的《物理世界》杂志网站称，这次活动还有一个花絮，康斯坦丁向习主席赠送了自己的一幅画作。

2017年，康斯坦丁有5幅画作参加了维也纳当代艺术博览会，有风景画，也有传统的花鸟鱼虫画。在画作上，他还留下了“科思厍（ti）压（ya）”的汉字落款，这4个字是他的汉语名字，应是他名字昵称“Kostya”的音译。