实质性问题(2014)

在曼彻斯特大学物理学教授安德烈·盖姆(Andre Geim)发现一种名为石墨烯的不同寻常的新材料之前，他最出名的是一项实验，在该实验中，他使用电磁铁将青蛙悬浮起来。盖姆1958年出生于苏联，是一位才华横溢的学者-作为一名高中生，他通过背诵一本1000页的化学词典赢得了一次比赛-但他也有一丝非正统的幽默。他在“欧洲物理杂志”上以“飞蛙和莱维特龙”为题发表了青蛙实验，并在2000年赢得了搞笑诺贝尔奖，这是一年一度的最愚蠢实验奖。同事们敦促盖姆拒绝这一荣誉，但他拒绝了。他认为青蛙悬浮是他风格中不可或缺的一部分，是对可能导致重大发现的横向思维的接受。不久之后，他开始为他的学生主持“周五会议”：自由形式的周末实验，有时还会喝几杯啤酒。盖姆最近告诉我：“周五的课程指的是你在职业生涯中没有报酬，也不应该做的事情。”“好奇心驱动的研究。一些随机的、简单的、可能有点奇怪的东西--甚至可笑。“。他补充说，“没有它，就没有发现。”

在2002年秋天的一个这样的夜晚，盖姆正在思考碳的问题。他专门研究显微镜下的薄材料，他想知道在某些实验条件下，非常薄的碳层会有什么表现。石墨由原子厚的碳层堆叠而成，显然是一种可以使用的材料，但分离超薄样品的标准方法会使材料过热，破坏材料。因此，盖姆给他的一名新博士生大江布置了一个任务：通过抛光一英寸的石墨晶体，试图获得尽可能薄的样品-也许是几百个原子层。几周后，江在一个培养皿中运送了一小块碳。盖姆回忆说，在显微镜下看过之后，他让他再试一次；江承认，晶体只剩下这些了。当盖姆开玩笑地告诫他(“你擦亮一座山就是为了得到一粒沙子？”)时，他的一位资深同事瞥了一眼废纸篓里的一团用过的苏格兰胶带，粘性的一面覆盖着一层灰色的、略带光泽的石墨残留物。

这在世界各地的实验室里都是耳熟能详的景象，那里的研究人员经常使用胶带来测试实验样品的粘合性能。构成石墨的碳层结合很弱(因此在1564年，它被用于铅笔，当在纸上拖动时，铅笔会留下明显的痕迹)，所以胶带很容易去除它的薄片。盖姆把一块胶带放在显微镜下，发现石墨层比他见过的任何其他石墨层都要薄。通过折叠胶带，将残渣压在一起，然后将其分开，他能够将薄片剥离到更薄的层。

盖姆分离出了有史以来发现的第一个二维材料：原子厚度的碳层，在原子显微镜下，它看起来像一个连接成蜂窝图案的六边形的扁平格子。理论物理学家曾推测过这样一种物质，称之为“石墨烯”，但假设在室温下不可能获得单一的原子层--它会分裂成微球。相反，海姆看到，石墨烯保持在单一的平面上，随着材料的稳定而产生涟漪。

盖姆得到了博士生康斯坦丁·诺沃舍洛夫(Konstantin Novoselov)的帮助，他们开始每天工作14个小时，研究石墨烯。在接下来的两年里，他们设计了一系列实验，揭示了这种材料令人震惊的特性。由于其独特的结构，电子可以畅通无阻地穿过晶格，以超乎寻常的速度和自由移动。它的载电量是铜的一千倍。在海姆后来所说的“第一次尤里卡时刻”中，他们证明了石墨烯具有明显的“场效应”，即一些材料在靠近电场时所表现出的反应，而电场可以让科学家控制其导电性。场效应是用于计算机芯片的硅的定义特性之一，这表明石墨烯可以作为替代品-这是计算机制造商多年来一直在寻找的东西。

盖姆和诺沃塞洛夫写了一篇三页纸的论文来描述他们的发现。这两次遭到“自然”杂志的拒绝，一位读者说，分离稳定的二维材料是“不可能的”，另一位读者说这不是“足够的科学进步”。但是，2004年10月，“原子薄层碳膜中的电场效应”发表在“科学”杂志上，令科学家们大吃一惊。“这就好像科幻小说变成了现实，”三星高级理工学院执行副院长永俊·吉尔(Young-joon Gil)告诉我。

世界各地的实验室开始使用

一项技术从发现的时刻到变革性产品的发展是缓慢而曲折的；科学家们的共识是，即使事情进展顺利，也需要几十年的时间。1973年，保罗·劳特伯(Paul Lauterbur)和彼得·曼斯菲尔德(Peter Mansfield)因开发核磁共振(MRI)而分享了诺贝尔奖-在科学家们首次了解使机器工作的物理反应近30年后。从瑞典化学家约恩斯·雅各布·贝泽利厄斯(Jöns Jakob Berzelius)于1824年提纯硅到半导体工业的诞生，已经过去了一个多世纪。

新发现在市场上面临着严峻的挑战。它们必须明显比已经出售的产品更便宜或更好，而且必须有利于商业规模的生产。如果一种材料，如石墨烯，作为一个偶然的发现出现，没有有针对性的应用，那么还有另一个障碍：想象力的限制。现在我们有了这些东西，我们该怎么做呢？

铝是18世纪20年代在实验室中发现的微量铝，被誉为一种奇特的物质，具有金属从未见过的特性：它重量轻，有光泽，防锈，导电性强。它可以从粘土中提取(最初，它被称为“粘土中的银”)，而从普通物质中生产出有价值的物质的想法赋予了它炼金术的性质。在18世纪50年代，一位法国化学家设计了一种一次制造几克的方法，铝很快就被用于制造昂贵的珠宝。三十年后，一种使用电力的新工艺允许了工业生产，价格暴跌。

“人们说，‘哇！我们从粘土中得到了这种银，现在它真的很便宜，我们可以用它做任何事情，“马里兰大学技术历史学家罗伯特·弗里德尔(Robert Friedel)告诉我。但热情很快就降温了：“他们想不出要用它做什么。”弗里德尔指出，1900年，西尔斯和罗巴克(Sears And Roebuck)的目录宣传铝制锅碗瓢盆，“但你找不到任何我们称之为‘技术’用途的东西。”直到第一次世界大战之后，铝才找到了变革性的用途。“杀手级的应用程序是飞机，当他们全神贯注于这些东西的时候，飞机甚至还不存在。”

一些备受吹捧的发现完全失败了。1986年，IBM的研究人员格奥尔格·贝德诺兹(Georg Bednorz)和K·亚历克斯·穆勒(K.Alex Müller)发现了陶瓷，它们在根本上是更实用的超导体。第二年，他们获得了诺贝尔奖，随之而来的是一股巨大的乐观浪潮。休斯敦莱斯大学的科学史教授塞勒斯·莫迪说：“总统委员会被拼凑在一起，试图让美国处于领先地位。”“人们都在谈论未来几年内的浮动列车和无限输电线路。”但是，在三十年的奋斗中，几乎没有人能成功地将这种易碎的陶瓷变成一种可以在日常使用中使用的物质。

弗里德尔提出了一个宽泛的公理：“创新越具创新性--越打破常规--我们就越不可能弄清楚它真正要用来做什么。”到目前为止，唯一含有石墨烯的消费产品是网球拍和墨水。但许多科学家坚持认为，它的不同寻常的特性最终将导致突破。根据盖姆的说法，资金和研究人员的涌入加快了通常的时间表进入实际应用的速度。“我们从亚微米的薄片开始，即使在光学显微镜里也很难看到，”他说。“我从来没有想过，到2009年、2010年，人们已经制作出了这种材料的平方米。这是一个极其迅速的进步。“。他补充说，“一旦有人看到有金矿，那么许多不同的研究领域就开始应用非常重型的设备。当人们思考的时候，我们是相当有创造力的动物。“。

总部位于韩国的电子巨头三星拥有最多的石墨烯专利，但近年来最活跃的是研究机构，而不是公司。与三星合作的一所韩国大学在学术机构中排名第一。两所中国大学分别位居第二和第三位。排在第四位的是莱斯大学，该校在过去两年里申请了33项专利，几乎所有专利都来自一位名叫詹姆斯·图尔(James Tour)的教授经营的实验室。

图尔现年55岁，是一名合成有机化学家，但他开朗的个性和创业的热情让他看起来更像是一名管理公司利润丰厚的研发部门的高管。他身材矮小，黑眼睛，身材健美，当我最近去他位于莱斯的戴尔屠夫大楼的办公室拜访时，他滔滔不绝地向我打招呼。“我的意思是，这东西太棒了！”他说，关于石墨烯。“你简直不敢相信这些东西能做什么！”图尔和大多数资深科学家一样，必须同时关注研究和商业。他曾两次出现在国会，警告联邦政府削减科学预算，并表示他的实验室已经设法蓬勃发展。

旅游为这一努力带来了一种特殊的能量。他在怀特普莱恩斯一个世俗的犹太家庭长大，在锡拉丘兹大学(Syracuse University)大一时成为了一名重生基督徒。他已婚，有四个成年的孩子，每天凌晨3点40分起床，进行一个半小时的祈祷和圣经学习-然后每周几次在健身房锻炼-6点15分到达办公室。2001年，他签署了一份促进智能设计的请愿书“达尔文主义的科学异议”而登上了头条，但他坚称这只反映了他个人对分子水平上随机突变是如何发生的怀疑。虽然他在电子邮件的结尾写着“上帝保佑”，但他说，除了祈祷上帝指引的习惯外，他觉得宗教在他的科学工作中没有扮演任何角色。

图尔支持对他的学生的研究采取零散的方法。他说：“我们喜欢做什么就做什么，只要它在栅栏上摆动就行。”他指出，作为化学家，他们特别适合快速实验，其中许多实验可以在几个小时内得出结果-不像物理学家，他们的实验可能需要几个月的时间。他的实验室已经发表了131篇关于石墨烯的期刊文章-仅次于德克萨斯大学奥斯汀分校的实验室-他的研究人员迅速采取行动，向美国专利商标局提交了临时申请，这让他们在必须提交完整索赔之前，对一个想法拥有一年的合法所有权。“我们不会等很长时间才提交，”图尔说；他敦促学生们在48小时内写出他们的作业。“一家获得我们一项技术授权的公司刚刚告诉我，我们比中国人快了5天。”

他的实验室最近的许多发明都是为立即被工业利用而设计的，为更雄心勃勃的工作提供了资金。Tour已经出售了一种注入石墨烯的涂料的专利，这种涂料的导电性可能有助于清除直升机叶片上的冰，提高石油钻探效率的液体，以及制造飞机上使用的充气滑梯和救生筏的石墨烯材料。他指出，石墨烯是地球上唯一一种完全不透气的物质，但它几乎没有重量；更轻的木筏和滑梯每年可以为航空业节省价值数百万美元的燃料。

在图尔的实验室里，一间天花板很高的大房间里摆放着一排排严密布置的工作台，数十名身穿白大褂、戴着安全护目镜的年轻人正在工作。图尔和我在一张长凳前停了下来，安提瓜的研究生洛伊克·塞缪尔正在制作一批石墨烯基凝胶，用于治疗脊髓损伤的支架。塞缪尔一边说，一边在珠宝店的浴缸里旋转试管，“而不是只有一种不起作用的脚手架材料，而是一种实际上是导电的东西。”“这有助于通过电交流的神经细胞相互连接。”图尔给我看了后腿瘫痪的实验室老鼠的视频。在一段视频中，两只老鼠拖着后腿沿着笼子的底部慢慢移动。在另一段接受治疗的老鼠的视频中，它们正常行走。图尔警告说，FDA需要数年时间才能批准人体试验。“但这是一个令人难以置信的开始，”他说。

2010年，图尔的研究人员之一、曾在莫斯科国立大学学习的俄罗斯人亚历山大·斯莱萨列夫(Alexander Slesarev)表示，氧化石墨烯可能会吸引放射性物质。氧化石墨烯是一种石墨烯，当氧和氢分子与其键合时生成。斯列萨列夫向莫斯科州立大学的一名前同事发送了一个样本，在那里，学生们将粉末放入含有核材料的溶液中。他们发现氧化石墨烯与放射性元素结合在一起，形成了一种很容易被铲走的淤泥。不久之后，日本的地震和海啸造成了毁灭性的核材料泄漏，图尔飞到日本向日本人推销这项技术。“我们现在正在福岛部署它，”他告诉我。

坐在其中一张长椅上的是一位圆脸敞开的年轻人：25岁的博士生叶如泉(音译)，他去年设计了一种新方法来制造量子点，这是一种用于医学成像和等离子电视屏幕的高荧光纳米粒子。量子点通常是由亚硒化镉和砷化铟等有毒化学物质制成的微量物质，一瓶重的量子点售价为100万美元。叶的技术使用从煤中提取的石墨烯，每吨100美元。

“方法很简单，”叶告诉我。他给我看了一个装满黑色细粉的小瓶：他磨碎的无烟煤。“我把它放在酸的溶液中一天，然后把溶液放在热盘上加热。”通过调整这个过程，他可以让这种材料发出不同的光频率，创造出各种颜色的点，用于区分肿瘤的标记。煤基点与人体相容--煤是碳的，所以

图尔转向他的实验室经理保罗·切鲁库里说：“我们总有一天会发财的，不是吗？”当切鲁库里笑着的时候，图尔补充道：“我要每天来这里数钱。”

也许盖姆和诺沃塞洛夫在2004年的论文中描述的最诱人的特性是电子信息可以在石墨烯表面流动的“流动性”。图尔告诉我：“在我们的计算机中，最慢的一步就是将信息从A点移动到B点。”“现在你们迈出了缓慢的一步，这是硅电子领域最大的障碍，你们又引进了一种新材料，然后砰的一声！突然之间，你的速度提高的不是十倍，而是一百倍，甚至更多。“。

这一消息刺激了半导体行业，该行业正在努力跟上摩尔定律的步伐，摩尔定律由英特尔(Intel)的联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)于1965年提出。他预测，每隔两年，计算机芯片的密度就会翻一番，因此效率也会翻一番。五十年来，工程师们通过微型化成功地跟上了摩尔定律的步伐，在芯片上封装了越来越多的晶体管-在一个指甲大小的硅晶片上多达40亿个。工程师们通过“掺杂”硅进一步提高了计算机的速度：从其他元素引入原子来更紧密地挤压晶格。但这是有限度的。芯片太小，晶体管靠得太近，硅就会停止工作。早在2017年，硅芯片可能就再也跟不上步伐了。

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