諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者安德烈

1、為什么安德烈蓋姆能發(fā)現(xiàn)石墨烯2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者安德烈蓋姆的研究方法【摘要】科學(xué)方法就是人類在所有認(rèn)識(shí)和實(shí)踐活動(dòng)中所運(yùn)用的全部正確方法。成功人士的 成功從來都不是偶然的，他們都有我們值得學(xué)習(xí)的優(yōu)秀品質(zhì)，有給以我們啟發(fā)的學(xué)習(xí)和研究 方法。本文探究2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者安德烈蓋姆的研究方法以及他有怎樣的成 功必備的品質(zhì)。通過探究這些方法和品質(zhì)探尋作為學(xué)者應(yīng)該學(xué)會(huì)怎樣的的研究方法和追求什 么樣的科學(xué)精神?！娟P(guān)鍵詞】安德烈蓋姆，科學(xué)方法論，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)北京時(shí)間10月5日下午5點(diǎn)45分，2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，英國曼徹斯特大學(xué) 二位科學(xué)家安德烈蓋姆(andre geim)和康斯

2、坦丁諾沃肖羅夫(konstantin novoselov) 因在二維空間材料石墨烯方面的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)而獲獎(jiǎng)。石墨烯是一種由碳原子組成，只有一個(gè) 碳原子厚度的二維材料。它是世上最薄也是最堅(jiān)硬的納米材料，導(dǎo)熱系數(shù)高于碳納米管和金 剛石，常溫下其電子遷移率比納米碳管或硅品體還高，而電阻率世上最小。石舉烯的應(yīng)用范 圍廣闊，根據(jù)石墨烯超薄，強(qiáng)度超大的特性，石墨烯可被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，比如超輕防彈 衣，超薄超輕型飛機(jī)材料等；根據(jù)其優(yōu)異的導(dǎo)電性，使它在微電了領(lǐng)域也具冇巨大的應(yīng)川潛 力，可能會(huì)成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。另外石墨烯 材料還是一種優(yōu)良的改性劑，在新能源領(lǐng)域如超級(jí)電容

3、器、鋰離子電池方而，由于其髙傳導(dǎo) 性、髙比表而積，可適用于作為電極材料助劑。單層的石墨烯只有一個(gè)原子的厚度，一個(gè)普 通的石墨鉛筆芯，大約由300萬層的石墨烯迭加血成，石墨烯被大部分物理學(xué)家認(rèn)為只是 假設(shè)性存在的，不可能在非絕對(duì)零度下穩(wěn)定存在。這種冇望在現(xiàn)代電了科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革 命的材料的成功制備無疑是震驚世界的，那么，為什么發(fā)現(xiàn)石墨烯的是安徳烈蓋姆呢？一、安德烈蓋姆博士是一位怎樣的科學(xué)工作者。安德烈蓋姆是荷蘭公民，1958年出生于俄羅斯索契。1987年從俄羅斯科學(xué)院固態(tài) 物理研究所獲得膊士學(xué)位。英國曼徹斯特meso-科學(xué)與納米技術(shù)中心主任。曼徹斯特大學(xué)物 理學(xué)教授及皐家學(xué)會(huì)2010周年紀(jì)念研

4、究教授。蓋姆是一位充滿好奇心的冇很多瘋狂想法的 科學(xué)家。蓋姆的研究小組有個(gè)習(xí)慣，就是把10%的時(shí)間用在異想天開的實(shí)驗(yàn)，每個(gè)星期五晚 上他們都要做這樣的實(shí)驗(yàn)。這些瘋狂的實(shí)驗(yàn)，很多都沒有什么結(jié)果，但是一旦有了發(fā)現(xiàn)，就 可能是突破性的。2000年，搞笑諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（一個(gè)由美國非官方人士評(píng)選的諧趣從生 的“獎(jiǎng)項(xiàng)”，通常在諾貝爾獎(jiǎng)公布之前頒獎(jiǎng)）授予了安徳烈蓋姆和邁克爾貝瑞，他們使用 磁性克服了重力作用，使一只青蛙懸浮在半空小，像變戲法一樣變出“飛翔的青蛙”。他們 推測(cè)使用類似的方法可以試著克服一個(gè)人的重力作用，讓他在半空中漂浮起來。石衆(zhòng)烯的實(shí) 驗(yàn)，也是星期五晚上實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)。蓋姆還是一個(gè)勇于嘗試前人沒

5、冇做過的東西的人，他說自己當(dāng)時(shí)想到要去制備石墨烯 的一部分原因是那一段時(shí)間里，他關(guān)注碳納米管那一撥人，“惡心”他們時(shí)不時(shí)地聲稱獲得 這樣或那樣的牛工作，他想做-點(diǎn)不同于碳納米管的東西，暗想為什么不把碳納米管剖開 呢？最初的想法就是試著做一些類似碳納米管的東西，嘗試用拋光將石墨減薄，總至兒層或 盡可能地薄。蓋姆同時(shí)是一個(gè)謙遜而堅(jiān)持的科學(xué)研究者，據(jù)新世紀(jì)周刊相關(guān)報(bào)道披賂蓋姆說 他的實(shí)驗(yàn)室里曾有一位來白中國的博士生，他最初是將這個(gè)實(shí)驗(yàn)交給這個(gè)新來的博士生的。 他買了一塊高定向裂解石墨，請(qǐng)這位博士生制成薄膜，要求盡可能地薄，并給他一臺(tái)精巧的 拋光機(jī)讓他研磨。三周后博士生對(duì)蓋姆說：“成功了。”且給他看了

6、一個(gè)培養(yǎng)皿，那個(gè)培養(yǎng)皿 底部有一些石墨的小斑點(diǎn)。蓋姆用顯微鏡觀察佔(zhàn)計(jì)這些石墨碎片仍然有10微米厚，大概1000 層左右，于是對(duì)博士生說：“能否將它研幣得更薄一點(diǎn)？ ”這位博士生說：“那我需要另一 塊石墨?！?一塊高定向裂解石墨的偉價(jià)當(dāng)時(shí)約300美元。蓋姆冋憶說：“我當(dāng)時(shí)向他解釋 時(shí)一定是不太禮貌，我說'你不必磨掉整塊磚頭才指望獲得一粒沙子吧。'不料他同樣有禮 貌地回答道：'如果你這么聰明，你自己試試?！鄙w姆就真的自己試了。兒個(gè)世紀(jì)以來，許多 科學(xué)家都試圖將石墨上的石墨烯層一層又一層的剝離下來，人們嘗試了許多種方法，特別是 化學(xué)剝離法，均以失敗告終，導(dǎo)致許多人心灰意冷，1

7、990年左右一些物理學(xué)家用“微機(jī)械 法”剝離石墨，獲得了人約包含了 100層石墨烯的石墨薄片，這己經(jīng)是非常不容易的了。蓋 姆沒有因?yàn)椴┦可氖【驼J(rèn)為“將石墨片研磨得更薄一點(diǎn)”是不可能的事，他決定白己來 解決這個(gè)問題，并11嘗試用其他與以詢不同的方法，這充分體現(xiàn)了他堅(jiān)持和創(chuàng)新的楮神。二、安德烈蓋姆與同事怎樣制備出石墨烯。蓋姆他們制備石墨烯的方法其實(shí)很簡單，雖然簡單而又特別，如果沒冇創(chuàng)新的思維是 不會(huì)想到這樣的方法的。中國博士生失敗后，蓋姆讓助手康斯坦丁諾沃肖羅夫接手，研究 小組當(dāng)時(shí)引進(jìn)了一位技術(shù)員來搭建低溫扌i描隧道顯微鏡，這位技術(shù)員清潔石墨樣品表面的方 法是用透明膠帶把石眾表層粘掉。這啟發(fā)他

8、們，如來不斷地粘起、撕開，就可以得到更薄的 薄膜，先在膠帶上粘一小塊石墨、折疊，然后再撕開膠帶，薄片也隨z分為二。屢次重復(fù) 這一過程，即口j將石墨減薄，最終得到單層的石墨烯。這聽上去，似乎原理很簡單，誰都可 以做到，但是實(shí)際上，如果不具備相當(dāng)?shù)闹R(shí)基礎(chǔ)和研究的耐心是不會(huì)成功的，這種“膠帶 撕拉法”的具體操作如下1: 在無塵的實(shí)驗(yàn)室中工作，空氣中的塵埃和頭發(fā)會(huì)嚴(yán)重地破壞石墨烯樣片； 準(zhǔn)備好氧化硅基片，在顯微鏡的觀察下，用鹽酸和過氧化氫的混合液清洗基片，使 表面平整，把石墨薄片放在棊片上； 用銀子將石墨薄片粘貼在約15-16cm長的贈(zèng)料膠帶上，然麻將膠帶折疊過來，粘在 薄片的另一面上，將石墨薄片夾

9、在中間，小心翼翼地將膠帶和石墨薄片分開，石墨薄片會(huì)平 穩(wěn)地分成兩片，厚度成為原來的1/2； 重復(fù)第三步10次，不斷地分割前一次得到的薄片,耍十分精細(xì)的操作，把握住成功 的機(jī)會(huì)； 將最示分離開來的石墨薄片樣片及膠帶放置在硅片上，用幫料夾具夾住，加壓排除 空氣，慢慢地剝離開膠帶； 將基片放置于100倍的顯微鏡下，可以看到大量石墨碎片，但極有可能得到少量水 品般的石墨烯。通常石墨烯會(huì)隱藏于一大堆石墨殘?jiān)?，很難得會(huì)如理想一般地緊貼在棊板上，所以要 找到實(shí)驗(yàn)數(shù)最的石墨烯非常困難。蓋姆發(fā)現(xiàn)，如果將石墨烯放置在鍍有在一定厚度的氧化硅 的硅片上，利用光波的t涉效應(yīng)，就可以使用光學(xué)顯微鏡找到這些石墨烯。從以上步

10、驟中看出要成功制備必須遵守嚴(yán)格的條件，過程中要小心翼翼，并h連復(fù)多 次十分精細(xì)的操作，通過精準(zhǔn)的尋找確認(rèn)，最后才有可能得到少量的石墨烯。得到石墨薄片 后，蓋姆和他的助手并沒冇就此停止研究，諾沃肖羅夫是他們很快的測(cè)試了石墨烯的物理性 能，證實(shí)了石墨烯的力、熱、電、光性能都很好。顯然蓋姆并不是為了制備石墨烯而制備石 墨烯，他是為了發(fā)現(xiàn)石墨烯的性能，以及用他h己的話說“我們對(duì)它有所期待而尚未實(shí)現(xiàn)的 可能性”來進(jìn)行這個(gè)研究。在獲得諾貝爾獎(jiǎng)后，蓋姆和諾沃肖羅夫也沒有打算停止研究，蓋 姆在接受采訪時(shí)說，他一直在尋求這一領(lǐng)域的新起點(diǎn)。三、為什么安德烈蓋姆能發(fā)現(xiàn)石墨烯。從安徳烈蓋姆木身到發(fā)現(xiàn)石墨烯的整個(gè)過程，

11、我們不難發(fā)現(xiàn)，首先，蓋姆是一個(gè)充 滿好奇心，有很多瘋狂想法，勇于嘗試前人沒有做過的東西的人，于是他沒有跟從盛行的“納 米管風(fēng)”，而是想到要去制備石墨烯；其次，蓋姆有堅(jiān)持的精神，他沒有因?yàn)閯e人的失敗以 及大多數(shù)物理學(xué)家的理論|佃放棄，在別人不愿意再做的時(shí)候，他卻繼續(xù)嘗試；然后，在嘗試 的過程中，蓋姆和同事由于具備專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，非凡的創(chuàng)新精神，以及極大的耐心，通過一 系列十分精細(xì)的操作制備并確認(rèn)了石墨烯；最麻，制備出了石墨烯麻，他們沒有停止研究, 而是立刻確認(rèn)了它的物理性能是否像理論上的那么好，并且十分關(guān)注它的應(yīng)用前景。在研究方法上，蓋姆及其i才i隊(duì)首先確立目標(biāo)：制備更薄的石墨片。其次他們思考及嘗 試制備的方法，第一次讓一個(gè)博士生用拋光機(jī)研磨，失敗后沒有放棄，轉(zhuǎn)而思考其他可行的 方法，后來用“膠帶撕拉法”進(jìn)行試驗(yàn)。他們運(yùn)用自己的知識(shí)，通過反復(fù)嘗試，制定詳細(xì)的 實(shí)驗(yàn)步驟和尋找確認(rèn)目標(biāo)物的方法。最后通過一些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)的石墨烯的性能。這樣的研 究方法，有目的性，符合理論規(guī)律，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性和町靠性，是一種科學(xué)的方法。四、總結(jié)。不管安德烈蓋姆口己有沒有發(fā)現(xiàn)，我們對(duì)以肯定，