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未來将屬于二維材料時代 | “石墨烯之父”海姆講述二維材料發展

在11月3日的中國科幻大會“科技與未來”論壇上,被稱為“石墨烯之父”的2010年諾貝爾物理學獎獲得者、英國曼徹斯特大學物理學教授安德烈·海姆,為我們講述了石墨烯以及更多全新二維材料的故事。以下為演講全文。

很高興受邀參加這個專題論壇。在這個論壇中,我特别希望能給科幻貢獻一點點科技力量。10到15年前,很多科學還停留在科幻層面。我想從物理學與材料學的角度,給大家來介紹一下在這個領域現今研究最火的一些材料。

人類的文明從四千前開始發展,從瓷器時代到青銅時代,再到鐵器時代,每個時代都有一種材料來代表當時的發展。我們現在生活的這個時代,就是塑料與矽的時代,這也是現今我們文明的代表性材料。那麼一個簡單的問題,不僅是從科幻的角度,我想每個人都會感興趣未來會發生什麼,下一步會是什麼呢?有哪些材料出現,幫助我們改善生活,讓如今的文明更好地發展呢?

我想說未來的一個時代是二維材料的時代,那在未來一百多年甚至一千多年,這種材料在我們的生活中起什麼樣的作用呢?在回答那些問題之前,我先跟大家講一些我個人的故事,有關于我的好奇心,我相信年輕人應該明白怎麼去做,我希望我的故事對大家有所啟發。這些故事講述了我們如何開始這項研究,以及我如何發現了這些二維材料。

20多年前,我獲得了終身教授的資格。有時候做科研會比較枯燥,所以我會做各種測試,希望根據一些科幻或自己的好奇心去找一些比較新穎的材料與物質,好進一步研究。當時,我做過的一個實驗是什麼呢?這個實驗現在已經廣為人知,也比較受人歡迎。但當時那個實驗并不是我預期去做的,也沒有一個人會想到做這樣的實驗。

當時在荷蘭,我們用超強磁場的設備在做一些實驗。其中有些設施,大家對它們的利用率不是很高,但設備不用也會慢慢老化。所以,我開始想用這些設備能做些什麼,為什麼不做一些實驗呢?當時出于好奇心,我想知道把水倒在強磁場中會發生什麼呢?因為我學了很多年的物理學,也知道一些常識,比如我們經常可以買到小的除垢器,據說按上這個除垢器之後,可能過幾天或者幾周後,水垢就會消失了。所以,我在想如果這種有磁力的水真的存在的話,為什麼我們不進一步澄清背後的物理現象,了解的更清楚呢?

所以,我就想強磁場設備與其放在一邊老化不如利用起來,于是我把水倒到了強磁場設備中。一般從科學家角度,大家會驚訝用這麼昂貴的設備做這樣的實驗。當時我把水倒進去之後,你會看到視頻上有一個水滴懸浮着,而且它發出這樣的顔色,就好像是反磁力一樣。在這個空間裡面,它的磁力和引力好像消失一樣,就如同在宇宙飛船中消失了磁力引力一樣。

當時,水産生了逆磁效應,其實它隻是抗磁性。這非常簡單,每個人、每件物體,其實都有一定的磁性,但是因為這種磁性和磁力比較小,所以沒有人留意到。所以,我和當時的同事都很吃驚,那麼多年來,大家從來沒有想到這個磁力是無處不在。後來,因為一些其他的想法我們又做了一些實驗。除了水在高磁場當中,我們還可以把什麼東西放進去做實驗呢?最後我們發現什麼東西放進去都會浮起來。慢慢我有了這些想法,有沒有别的東西放進去也可以浮起來呢?所以我後來拍了這段短片,這是20年前我做的實驗當中這是最難的一個實驗,因為當時想把青蛙放進來,但是青蛙跳來跳去很難放進去。可能很多人覺得這是很簡單的一個實驗吧,但是簡單的事情,背後往往有一些收獲。當我參加會議時很多人對我說,我認識你,雖然我不知道二維材料是什麼,但是我知道那個青蛙實驗。

所以,通過這種不同的實驗,我們就會知道更多地觀察我們生活的這個世界和周遭,其實很多東西并非如生活中所見不到。我在遇到很多事情時,都會想能不能從中研究一些東西,從現象中學到一些東西。我也是這樣去思考自然界的很多事情。

所以我後來看到壁虎,中國也有很多壁虎,那我從壁虎身上學到了什麼呢?壁虎可以完全在牆上爬,但依賴的是一種非常簡單的機制。壁虎的腳爪上面有很多細細的、特别小的絨毛,在這個尺度上這些絨毛的表面會産生一種力,這種力非常小,可能隻有十分之一牛頓(N)。正因為這些細小的絨毛,所以壁虎可以把數十億的小絨毛利用起來,讓它們可以在任何牆體的表面爬行,比如在垂直的牆壁上爬行。當時我就有一個想法,如果這麼簡單的話,也許我可以在工作當中,将這個尺度上的力作為一個研究方向。物理學中的研究一般比較複雜,但是也許在這個尺度的研究我可以考慮看看。

所以,後來我把這種方法與機制應用到了一種膠帶上面,我們做了一種類似壁虎的膠帶,可以粘在玻璃和窗戶上。但是這種材料不可多得,後來我做了一點材料,就是它可以讓你像壁虎一樣,牢牢地粘在玻璃表面。我在德國的同事們,他們做了好大塊的材料,一手粘在玻璃上,可以完全懸空起來。這就是充滿好奇地觀察生活當中的小事獲得的成果,這就是好奇心的重要性。

我的好奇心又把我帶到另外一個領域,就是研究石墨烯。很多哲學家都說過,如果把材料不斷地分開,不斷地分離會發生什麼呢?最後就會産生一種原子。物質越來越微小,最後隻剩下了原子,這是大自然當中一個最小的可見結構。所以我們把這種材料不斷地分離,不斷地一層一層分開,然後做各種實驗,就是為了把它裡面最小的結構給區分開和分離開。後來,我們有了這樣一卷膠紙,能把石墨烯最小的結構分離出來了。石墨就是所有鉛筆組成部分,是鉛筆的筆芯。石墨很容易作出非常多的晶體結構,如果你直接看它的表面看上去就像垃圾(黏在膠帶上的石墨)一樣,對吧?

這些步驟我都經曆過和做過,在顯微鏡下面,你會看到這些石墨以及它的形态發生了變化,它的結構你也看得很清楚。而且這些結構當中,有一些光可以透過去,而且有一些是透明的,光可以完全通過。如果你了解有關材料學、物理學最基本的知識的話,就會知道如果一種材料是透明的,這就意味着它會特别薄。所以,我們在做研究的時候就意識到,我們可以把石墨做到特别薄的程度。

那為什麼我會對像垃圾一樣的膠帶上的石墨,産生這麼大的興趣呢?因為有很多哲學家和科學家都會有不同的理論,那麼我們為什麼會對這個領域産生興趣呢?如果你看我們所在的這個世界,我們周圍的世界,所看到的任何物體材料及一切事物,它們都有一定的厚度,是3D(三維)物體,這也是自然界的一個最根本的原則。我們幾乎找不到隻有一個原子厚度的東西,所以大家都會說任何東西都是三維的。如果是還處于分子與原子層面的物質,你看它都會慢慢這樣發展和生長,慢慢會變成三維結構。

也就意味着在實踐當中,我們其實可以這樣思考,我們所做的一些實驗是在低于石墨生長的溫度下,提取一片原子寬度的石墨烯,這是有可能的。之前沒有看到過,99.9%的人也沒有想到這些材料會存在。雖然非常難,當将這些材料放在一個空氣濕度和室溫都非常高的條件下,材料會被毀壞。我們可以做的就是從中提取出來一個很薄的平面,再去獲得一個原子厚的晶體,這是非常完美的石墨烯提取方法。我們可以将石墨烯應用在現代技術,也可以應用在非常新的技術領域。

我們從這些環節當中學到什麼呢?答案就是部分不總是和總體相似。很多時候,大家會覺得一個原子厚的材料與整個材料具有類似的性質。我們再看這種材料的性質,其實是非常驚訝的,我們可以看到有非常多的特性,比如說石墨烯是最強的材料,它也超過其他一些材料的特征,包括電導和熱導等。還有一些加熱的原子,很多時候它們或一些分子是無法通過隻有1cm的材料,但是可以穿過石墨烯。我們主要學到的更少就是更多,這些2D的材料,不僅僅是代表它們3D的組成部分,而是它們本身可以帶來不同的性質,一些極其特殊的性質。

我獲得諾貝爾獎不是因為一些别的研究,隻是在物理學上對于這種材料和它的一些電子特性的研究。這是一個非常大的研究領域,在全世界有非常非常多,幾百個、幾千個研究組在研究這些材料,主要涉及如何将這些材料帶到了生活中。我也有一些有關電流如何在這些材料當中穿過或者運動的研究,這非常振奮人心,更加振奮人心的就是從物理學角度去認識它。

我給大家舉一個例子,從物理學角度來看這些材料有着怎樣非一般的特性。大家都知道,我們生活在一個經典物理的世界中,如果有汽車撞到牆的話,大家都知道結果是什麼,基本上是車毀了。大家知道原子在不同的時期,都遵循着量子力學的規則。那麼在這樣量子世界,我們可以想象有一輛量子車,它具有一些穿過電子層的特征,會産生一種量子隧道效應 的現象。這個車是否能穿過,取決于障礙物的寬度,還有車本身,但整個石墨烯電子測距來講是非常不一樣的,它與量子世界非常不一樣。

在這個世界上,它經常與粒子物理有關,有時候人們對一種現象十年前就比較熟悉了,但是不太可能去驗證這些現象。這些現象告訴我們的是什麼呢?我們生活在一個遵循量子規則、小粒子以光的速度來運行的世界。而在這樣的宇宙過程當中會發生什麼呢?我們遵循這個自然法則建一個汽車,無論障礙物有多高、多寬,我們的汽車都可以穿過。這種現象是一種日常現象,它解釋了為什麼石墨烯有着超高的導電性。雖然,在石墨烯當中有很多的障礙物,但電子其實可以穿過,基本上不會意識到這些障礙物的存在。這是一個簡單的概念,這些材料可以帶給我們幾百萬個非常獨一無二有趣的現象。

這種非常薄的材料具有非常好的性質,在過去10-15年這個領域的發展情況其實不止如此。通過不斷地細化石墨烯結構遵循這些原則後,我們發現石墨烯表現的現象并不是一個單一的存在,還有其他的一些材料具有類似的性質。在發現石墨烯一年之後,我們發現至少有幾十個其他的材料,隻有一個原子或者一個分子這麼厚。當時是2005年,而十年之後我們就知道現在已有幾百個甚至幾千個不同的材料,當然全球還有非常大量的研究已經發現這些材料有哪些有趣的應用。所以,我們看到了這個材料的變革,這就是2D材料革命。15年前,我們不僅僅不知道這些材料可以存在,甚至主動認為這些材料是不可能存在的。

如果這還不夠的話,還有另外一些關于石墨烯和這些材料的讨論。如果大家有實驗室,實驗室中有一個原子或一個分子的材料,那麼你會對這些材料進行一些實驗,想要把它們合成到不同的厚度和其他完全新的東西。列如,合成一個3D的材料,但是現在是用一個原子的精度來做的,是原子材料的一種實驗。

我們可以看到正六邊形材料的研究很火熱,但是我們看到每一種功能不同的六邊形材料,是因為合成了不同的厚度。具體的例子,我們可以用材料去做什麼,這是真實的圖片,我們可以如何利用六邊形的材料,每一個都是原子這麼厚,它們不同的材料都是在這樣一個單層當中,還會有半導體,整個會産生一種LED光屏,這個與屏幕上和手機上的LED采用了一樣的原則,區别是可以做成非常薄、非常靈活以及非常堅固的電子學材料,而且它是非常透明的。之後大家可以具體了解到。

當然,這些是非常小的學術成就,因為在工業應用上還需要繼續做很多的研究。但是大家知道這個圖片,它其實是70年前的一個傳輸器,它非常醜,在當時用作原理展示。那麼在60年之後,石墨烯就讓電腦的芯片或者是我們的手機、電腦運轉,我們也可以期待這些六邊形材料,可能是在30、40或50年以後,為我們未來帶給什麼。

最後我會講到我們的應用,當然當我們研發新的材料之後,我們會想到怎麼用這些材料,特别是當你得到像石墨烯這樣具有多種超級性能的材料之後,你經常會有很多的想法。全世界已有幾千個公司在開展工作,想要将石墨烯産業化。有很多大的企業投入到石墨烯産品的生産中,例如中國的華為公司,以及其他都想應用石墨烯産品的公司。另外,還有學術的研究,科幻作家,還有一些小說家,他們也在想,石墨烯實驗會帶來什麼樣的結果,他們有時候會有一些預測非常遠,視野非常大,非常難判斷那些是不是現實的預測。還有一些非常前沿的預測,可能在幾年以後會實現。當然我們有各種各樣的實驗,來看未來應用的2D材料。

(播放視頻)

這個宣傳片展示了該公司的一些願景,他們想要一些非常靈活的、透明的電子産品,這些可以通過2D材料進行制作。這是一些例子,還有之前的LED,這樣一種透明的應用,也不再是一種科學、科幻。現在已經是非常接近與商業應用,公司現在也在進行一些研究或者考慮,但是這也是出現未來20年甚至更遠。現在正在到來的,可能是需要電腦、軟件和寫一些程序,幾年之後就會成為幾十萬的富翁,但是對于2D材料的發展需要更長的時間,慢慢進入我們的生活。

再看一些有關現在進展的例子。我們看到這個材料已經開發了10多年,現在有一些含有石墨烯的消費者産品,你可以在互聯網或者在商店買到。那麼,在石墨烯幾個之最的特性當中,你可以看到很多石墨烯的特性,最終能把它轉變成消費産品。現在已經有可以用在電池上面的石墨烯降溫技術,或者添加了石墨烯的電池,因為用石墨烯電池産的熱量減少很多。比如在充電方面,這種電池也比普通的電池快5倍。

舉另外一個例子,如果我們把石墨烯放在跑鞋當中,那麼跑鞋的壽命能夠延長40%,對大部分人來講,沒有太要緊。但是對于運動員來講,40%的意義是很顯著的,因為他們經常大量運動,普通運動鞋可能一兩周就磨損了。所以我們希望以後這種鞋子可以量産。再舉另外一個跑車的例子,我們對這種跑車的材料用一種複合材料,用石墨烯把它進行改進加強,那麼這些未來的汽車當中,它就會擁有這樣的特性,因為有石墨烯的成分,那麼它就更加堅固,更加抗沖擊。那麼,2D材料的可用範圍特别廣,可以用到無數的領域。而未來這些領域,也可以生産消費者需要的産品。

今天給大家講的故事當中,我們要收獲到的一點是什麼呢?正是因為出于好奇心,我在50年前開始注意到2D材料,我相信在未來你會感受到更多這個領域的研究與應用。所以,我們還沒有完全進入2D材料時代,它完全是一種全新的材料。那麼這些全新材料在幾年前大家都還不知道,我相信這些材料未來成為我們的工具箱中一員,基于這個基礎上,我們還可以做更多的開發與研究。

非常感謝大家的聆聽,謝謝大家!

本文來自石墨盟,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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