曹原的青春故事：震惊世界的21岁中国科学家

王玉琴

2018年3月5日，一个重磅消息瞬间引爆学术圈，让全世界学者都望尘莫及的《自然》杂志，竟然一天之内连续刊登两篇中国留学生曹原写的“石墨烯超导”论文。令人震惊的是，这个满脸稚气的21岁博士生，破解了困扰物理学界107年的世界难题，或将引发全球新材料革命！其研究成果可应用于医疗设施、电网设备、电子产品等生活设施中，更可以在超级计算机、超级高铁等前沿科技中大展身手。如今，他已拥有了百万“粉丝”，被网友誉为“科学大神”。

英雄出少年，中国科技大学的传奇人物

曹原1996年出生于四川成都，3岁随父母迁入深圳。他从小就是大人口中“别人家的孩子”：仅用2年时间就读完了初中和高中的全部课程；14岁的他更是以高考理科669分的成绩考入声名赫赫的中国科学技术大学少年班学院，并入选“严济慈物理英才班”。天才辈出的中科大少年班竞争激烈，曹原在其中却如鱼得水。

同校的网友说，经常在各大教授的办公室看到胸前挂着钥匙的曹原一脸认真地请教问题。有趣的是，中科大教计算物理课的丁泽军教授，因教学严谨、苛刻，让许多学生“闻风丧胆”，人称“丁老怪”。但这位“老怪”却对曹原赞赏有加，说曹原是“很聪明的家伙”。原来 ，教授只要把题目交给他，他一定会想办法做出来。如果计算遇到困难，他会主动尝试其他的软件方法。丁教授每年上计算机物理课绪论时，都会提到曹原。

与常见的只顾埋头读书、做实验的学生不同，曹原不仅性格活泼开朗，而且爱好广泛，他喜欢文学、运动、计算机，朋友圈还经常发有关天文观测的照片。才气过人的天才往往持才傲物，但曹原却非常低调谦虚，在班里颇有人缘。虽然学习成绩特别突出，但曹原并不觉得自己比同龄人聪明多少，只是他比较爱读科技类课外书，为现在的知识面打下了很好的基础。曹原认为自己的动手能力是得益于放学后经常在家研究电子电路和化学实验。

曹原对化学和物理非常感兴趣，高中学业十分繁忙，他放学到家已经很晚了，但依旧要花1个多小时的时间研究各种化学试剂。做化学实验所需的硝酸银很贵，也很难买到，他就买来了硝酸，把妈妈的银镯子放了进去，人工合成硝酸银。他还曾在深圳花了整个下午逛电子市场，买了很多电子原件回家组装电路。在大二时他还做过一个可以产生一米长的高压放电火花、可以用电火花放歌的特斯拉线圈装置。这些实验都很折腾人，又有一定的风险，但父母一直都很支持儿子，这点让曹原非常感激。

2012年，曹原被选为首批交流生赴密歇根大学学习；次年6月，又被牛津大学选中，受邀做两个月的科研实践。2014年，18岁的曹原荣获中科大本科生最高荣誉奖——郭沫若奖学金。

2016年，曹原在进行物理学课题研究时，在美国物理学会主办的高水平学术期刊PRL上发表了一篇理论文章，而且所用时间很短——在一个寒假内做完，并且在业内深获好评，很快，这个大男孩在中国科技大学就成了“传说级的人物”。

石破天惊，让石墨烯实现“超导”

2016年从中科大毕业后，曹原在牛津大学实践时的导师陈宇林教授，推荐他前往美国麻省理工学院MIT电气工程与计算机科学系，攻读博士学位，师从著名物理学家巴勃罗·哈里罗·埃雷罗。

期间，在教授指导下，曹原开始重点研究关于石墨烯材料“超导电性”的尖端课题。曹原知道，1911年，荷兰物理学家海克等人发现当汞被冷却至接近-273℃时，电子可以通行无“阻”。他们将这个“零电阻状态”称为“超导电性”。曹原说，具有超导电性的材料有很强的应用价值，因为，一般材料在导电过程中会消耗大量能量。以传输电缆为例，从发电站到用户的传送过程中，消耗损失的能量越小，经济效益越大。超导体的出现，使传输过程中的能量损耗几乎为零。

但遗憾的是，超导体要在接近绝对零度（-273℃）的环境下，才能显现其近乎0损耗输电的能力，而这其中的材料，冷却成本却高得让人绝望。“如果材料能在室温下实现超导，就能避开昂贵的冷却费，彻底改变能量傳输、医疗扫描仪和运输等相关领域的现状。”但这种合适的“低成本超导材料”材料极难找，30多年来，全世界的科学家们都对之一筹莫展。虽然铜氧化物一直是物理学家关注的焦点，但其结构往往难以调整，因此，超导很难实现。

后来，曹原师徒就产生了一个非常大胆的想法：用石墨烯代替铜氧化物实现超导！“石墨烯是当前最薄、最坚硬的纳米材料，简单来说，它是从石墨中剥离出来的由一层碳原子构成的二维晶体，其神奇让人难以想象。”

曹原解释说，它不仅结构很稳定，而且导电性能更强大。石墨烯的电子运行速度能达到1000千米/秒，远远超过电子在一般导体中的运动速度。因此，有望利用石墨烯来制造下一代超高频电子器件，使未来计算机处理器的运行速度可以比现在高几十倍，甚至上百倍。这项特性，也决定了石墨烯跟电池是“天生绝配”，在电能储存领域，石墨烯是耀眼的“明星”。

2016年的一场交易博览会上，一款石墨烯充电宝吸引不少人的眼球，只需10分钟就可充满6000mAh的电量。“我们可以大胆设想，未来有一天，电动汽车广泛使用石墨烯电池，只需几分钟就能把电充满，比去加油站加油还方便！”曹原说。

石墨烯还是自然界中最为坚硬的物质，其硬度超过金刚石。“它的断裂强度比最好的钢材还要高200倍。假如我们日常使用的塑料袋是石墨烯材质，那么它就能承受大约两吨重的物品。这么坚硬的物质，却是超薄超轻、近乎透明的。它的透光率高达97.7%。厚度只有大约0.3纳米，相当于一张A4纸厚度的十万分之一。一块厚1毫米的石墨，就能包含大约300万层石墨烯。如果你用铅笔在纸上轻轻划一下，在纸上留下的痕迹就包含了许多层石墨烯。而且，这么薄的材料，致密性却很高，最小的气体原子也无法穿透。”

曹原说，石墨烯还是导热界的“老大”，它的导热效能是银的10倍。优异的导热性可以满足LED照明、计算机、卫星电路、手持终端等大功率高集成系统的散热需求。

因為石墨烯有各种奇特的性质，比如高电导率、透光率、机械强度、稳定性等等，都已不同程度地得到了应用。使其成为当前科技界的爆款“网红”，但令科学家们头疼的是，唯独其“超导性”成了世界级难题，迟迟无法攻破。

令人惊讶的是，经过一年多的潜心研究，曹原团队发现了一个“天大的秘密”：通过将两层自然状态下的二维石墨烯材料相堆叠，并控制两层间的扭曲角度，即可构建成为性能出色的零电阻超导体。这一研究中最为关键之处，在于双层石墨烯材料的扭曲角度。当扭曲角度达到被称为“魔角”的1.1度时，石墨烯层中的电子能带结构不再对称，超导性质也随之显现。可以说，这是一个石破天惊的发现！

室温超导体无疑给未来发展带来了新的憧憬。其不仅可应用于医疗设施、电网设备、电子产品等生活设施中，更在超级计算机、超级高铁等前沿科技中大展身手。毫不夸张地说，这项研究打开了非常规超导体研究的大门，或将引发一场超导材料领域的新革命……

引爆全球， 破解困扰物理界107年的世界难题

2018年3月5日，国际顶尖期刊《自然》以背靠背的长文形式，在网站刊登了两篇麻省理工学院埃雷罗教授课题组石墨烯超导的重大发现。此外，网站还专门配上了宾夕法尼亚大学尤金教授对这一重大突破的评述。

令人震惊的是，这两篇重磅论文的第一作者都是21岁的大三博士生曹原。他也有幸成为在《自然》上以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。而能够在三大期刊上发文，是无数科学家孜孜以求的目标，也是评选诺贝尔奖、竞选院士，展示大学和科研机构研究实力的重要依据。

不过，单是《自然》高达90%的毙稿率，就足以让人望而生畏。从全球范围内来看，有能力在三大期刊发表文章的，要么是世界顶级实验室，要么是世界顶级团队，要么两者兼具。曹原知道，这些顶级队伍的专家教授，一边争分夺秒地做实验，一边密切盯着竞争对手的动向，打开电脑的第一件事，就是看三大期刊发表了哪些相关领域的论文，如果没有新的，就可以松口气，如果别人发表出来的相关成果和自己的研究差不多就前功尽弃了！曾在《科学》发表论文，后被普林斯顿大学聘为终身教授的中国科学家颜宁曾说“向死而生”，描述的就是这种状况。

而作为我国结构生物学领军人物的施一公，第一次在国际性科技期刊《自然》上发表论文是在1999年，当时他32岁；被称为我国“量子之父”的潘建伟院士，27岁在《自然》上发表了第一篇论文；曹原21岁就作为第一作者一次性发表两篇论文，堪称“神之操作”。另外，《自然》未等排版就先行在网站上刊出，并配以第三篇文章做评述，可见其重视程度之深。

曹原关于石墨烯超导电性的研究成果发表后，震惊了整个世界物理学界，斯坦福大学物理学家、诺贝尔奖获得者罗伯特·拉夫林说：“其研究成果很可能成为改变全世界的一个重大课题。我们可以期待在接下来的几个月里，会有疯狂的实验活动来填补蓝图中缺失的部分。”

令人震撼的是，此时距离发现超导体，已时隔107年，而曹原团队的发现，无疑将引发全球新材料革命。很快，脸上带着稚气曹原，拥有了百万“粉丝”，被网友誉为“科学大神”。之后，无数大学和科研机构向他抛出橄榄枝，甚至有大学愿意为他提供一份教授的职位。曹原表示虽然不知道自己未来的科研生涯会走向何方，但他很明确的两点是：第一，他会继续此前的研究，创造更多的奇迹；第二，他会回到中国。