诺奖得主康斯坦丁：像石墨烯一样，温柔而坚强

2019-07-16小小

国际人才交流 2019年7期

文/小小

康斯坦丁·诺沃肖洛夫：（俄罗斯、英国）著名物理学家，英国曼彻斯特大学教授，2010年诺贝尔物理学奖获得者；他专门研究凝态物理学、介观物理学和纳米技术。对铁磁体和超导体中的介观现象及GaAs/AlGaAs异质结构和石墨烯中二维电子气的电子性质有着广泛的研究兴趣。在纳米制造和纳米技术方面也有深厚的研究背景。领导了曼彻斯特国家石墨烯研究所的建设,并成为首位科学主任。2010年他因在二维材料石墨烯方面的开创性实验而获得诺贝尔物理学奖。

如果有一天，我们的手机、照相机可以弯曲、折叠，再也不觉得那是放在自己口袋里硬邦邦的，或是挎在肩膀上让人负重前行的东西。

如果有一天，我们的新能源汽车再也不用焦虑每天晚上要充电以保证第二天上班的需要，从此摆脱没电了怎么办的尴尬。

如果有一天，我们可以把电子设备穿戴在身上，药物不用从口入而是直接被运送到身体的伤病部位，生活在世界上欠发达地区的人可以喝到更洁净的水，我们的生命将得到更多保障，也会变得越来越舒适。

如果这一天，它真的存在，那就是因为它的出现。

很薄很轻，很坚强

在神奇的自然界，有一种常见的元素，以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。它很早就被人认识和利用，其一系列化合物——有机物更是生命的根本。比如，它是生铁、熟铁和钢的成分之一，能在化学上自我结合而形成大量化合物，同时在生物体内大多数分子都含有这种元素。

这种元素就叫碳。

碳元素有一种存在形态是石墨，是一种最软的矿物，其最广泛的用途是制造铅笔芯和润滑剂。

说到石墨，我们可能又会想到现在特别流行的一种新材料——石墨烯。

那么，石墨和石墨烯之间又是什么关系呢？

简单来说，石墨是由石墨烯一层层叠起来的，比如厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。

这种薄到让人难以想象和描述的材料，到底是怎么发现的呢？

2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。

2009年，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，他们因此获得了2010年度诺贝尔物理学奖。在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚体物理学界。

石墨烯比人的头发丝薄100万倍，比钢还强200倍，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，被称为“黑金”。

一直尝试去做一些新的事情

2019年1月，在旅英华人高新技术商业协会会长张其军博士的帮助下，我采访了石墨烯发现者之一、2010年度诺贝尔物理学奖获得者康斯坦丁·诺沃肖洛夫。

康斯坦丁出生在俄罗斯乌拉尔山脉附近的一座小城，母亲至今在那里生活。他在莫斯科上的大学，考上研究生后转到荷兰，最后又随导师来到英国曼彻斯特大学。在朋友的眼中，他是一个“工作狂”，总是很晚离开实验室。我想，正是这种专注专一的精神和态度，使他的研究取得重大成果。

“是的，我有丰富的物理知识和纳米技术的知识。但即使你非常了解物理学，那也不能保证你就能有所创新突破。是什么导致了一个新创意的出现？这是一个很好的问题。但是我无法给出一个方法告诉你怎么去获得创新的想法。我唯一知道的是，你需要努力工作，一直尝试去做一些新的事情，这样才能发现一些新的东西。”康斯坦丁说。

作为原国家外国专家局海外专家组织英国国际人才与创新发展服务中心的负责人，张其军多次组织包括康斯坦丁在内的外国专家参加国内的科技交流活动。通过张其军博士，我了解到，康斯坦丁的夫人也是科研工作者，他们是在实验室里萌生的爱情。夫人艾琳娜目前在曼彻斯特一家生物技术公司担任项目主管。他们有一对双胞胎女儿维克多利亚和索菲亚。

康斯坦丁和艾琳娜作为科学伉俪，更加重视对孩子的教育，对孩子科学精神的培养。他认为给孩子提供一定程度的自由是很重要的。把孩子推向一个他们不想去的方向是完全适得其反的事情。因此，确定孩子想要接受教育的方向非常重要，然后让他们朝着这个方向工作和学习。选择哪一个并不重要，只要是成功的选择。

科学对于大众来说，是深奥的。但是如果你真的喜欢并且投入进去，你也许就会产生和康斯坦丁一样的感受。“我认为科学本身就很令人兴奋。一旦你开始练习，尝试动手，它就会令人非常兴奋。用一些基本的技巧来解决问题并预测接下来会发生什么，这种能力也很有趣。所以只要我们不只是驱使科学，只要我们展示这些知识在现实生活中的意义。我想任何孩子都会对科学感兴趣。”

希望支持科学和技术一样多

康斯坦丁教授全家与张其军博士全家合影

2019年1月，张其军博士陪同康斯坦丁来到中国，参加科学技术部组织的外国专家座谈会。康斯坦丁不仅在座谈会上作了精彩发言，同时受到了李克强总理的亲切接见。他在发言中特别讲到材料在人类生产生活中的重要作用。他说，材料一直是技术的决定因素，我们甚至把人类历史的不同时期用当时的主流材料命名，比如石器时代、青铜时代、钢铁时代。

的确，新技术促进新材料产生，新材料推动新技术发展。材料改变了我们的生活，我们的生活越来越依赖新材料。康斯坦丁认为，未来会出现更多的设计材料或者说是按需生产的材料，我们可以把它们称作“智能材料”。这些智能材料可以为我们的制造带来更多的机会，智能材料也可以适应环境的变化，能够在环境允许的条件下带来最高、最理想的效用。他说：“想象一下如果一辆汽车的挡风玻璃能够从震动、照明甚至雨水当中吸取能量、自我加热，从而消除挡风玻璃上的水雾……”人类的生活将会多么高效和轻便。

在张其军博士的帮助下，康斯坦丁目前正在中国寻找合作方，因为他对中国先进材料的发展前景充满期待。他说，中国的制造业无论是规模还是复杂程度，都发展得非常迅速，而且有越来越多的先进技术在制造业中得到运用。先进技术和先进材料往往是同步发展的，中国也开发和运用了很多先进的材料。他认为，中国先进材料发展快速的原因，一方面是对于大规模制造业的投入，另一方面是对创新企业的投入，但是需要在投入的效率上进一步提升。而且，中国很多材料的发展并不是内生的，中国的研究人员或者工程人员更多的是在跟跑，缺少原创性。很多投入都投在了研究机构或者公司，对大学的投入不够，导致很多科研人员不太愿意花时间和精力用在基础性研究上。

“当然，我认为中国政府做得非常好。政府为创造新业务和新动能提供了很多激励措施。让他们不害怕创造新想法和尝试市场之外的新产品，并且政府在推广更多高科技产品方面非常努力，所以中国在科学研究方面取得了很大的进步。但是，如果在支持科学和技术上一样重视，那么它将会更加成功。”

石墨烯会走多远？

被称为“黑金”的石墨烯，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，也是未来最有前景的先进材料之一。近年来，我国政府通过出台一系列的政策、相关标准等，支持石墨烯行业的发展。按照产业发展路线图，到2020年，中国石墨烯产业的目标是形成百亿元产业规模，2025年整体产业规模突破千亿元。

由于石墨烯具有极好的耐高温性，导电、导热性，润滑性，化学稳定性，可塑性，抗热震性等特性，所以它广泛地应用在我们的生产生活中。比如，目前已应用于透明导电电极、触控屏、太阳能电池、锂电池、超级电容器、导热薄膜、海水淡化、环境污染治理、医疗健康等领域。

康斯坦丁教授和女儿维克多利亚庆祝中国新年时作画

对此，作为科学家的康斯坦丁对未来的期许比我们要更远、更深。他说：“石墨烯有潜力在许多不同领域得到不同应用。我们通常并不单独讨论石墨烯，我们谈论的是二维家族，其中一种是原子材料，石墨烯也来自这一家族。我们把它们放在一起讨论，这就增加了它们应用的范围甚至领域。”他认为石墨烯研究和石墨烯行业非常强大，它不仅得到了很好的利用，也发展得非常快。但是除了世界知名的好公司外，有一些公司的产品质量还需要提升。所以他期待并坚信，高科技公司做高质量产品的比例将来会增加。

汽车轻量化是节能减排的一个重要方向。研究表明，在不降低汽车刚性和碰撞性能的前提下，重量减轻10%，油耗将相应减少6%—8%。石墨烯聚合材料电池的成本将比锂电池低77%，重量也仅为传统电池的一半。同时，如果在摩擦副表面吸附上一层石墨烯保护膜，还能起到高效的防磨抗磨的作用。2017年，西班牙Graphenano公司同科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到8分钟。2018年，华为发布了全球首款应用石墨烯薄膜散热的手机。可见，石墨烯被广泛应用于新能源、电子、航空航天、复合材料等多个领域，被誉为“颠覆21世纪的新材料”。甚至“很难预测它会被用在哪，因为这不仅取决于材料本身，而且取决于技术，取决于经济”，康斯坦丁表示。“石墨烯在许多领域得到了应用，这表明石墨烯的利用率在提高。但是，石墨烯会走多远？我不知道。但令人鼓舞的是，目前已经看到了它的应用。”康斯坦丁对石墨烯前景的态度，表达了作为科学家一贯的积极而严谨的精神。