2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介及其對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的啟示

　　摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫在石墨烯研究方面的成就，并概述了石墨烯的發(fā)現(xiàn)、特點(diǎn)及應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)之上，本文還討論了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的啟示。
　　關(guān)鍵詞：諾貝爾物理獎(jiǎng)；石墨烯；物理教學(xué)啟示
　　中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148(2011)2(S)-0029-3
　　
　　1 引言
　　
　　2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家——安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，以表彰他們?cè)谑┎牧戏矫娴摹巴黄菩詫?shí)驗(yàn)”。石墨烯（英文名：Graphene）僅有一個(gè)原子厚，但高度穩(wěn)定，被認(rèn)為是目前世界上最薄的材料。由于，石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，迅速成為物理學(xué)和材料學(xué)的熱門研究對(duì)象。
　　
　　2 石墨烯的發(fā)現(xiàn)
　　
　　許多人說(shuō)，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)可能最具娛樂性——海姆和他的學(xué)生諾沃肖洛夫用透明膠帶在制作鉛筆芯中發(fā)現(xiàn)了石墨烯這種二維平面材料［1］；曾經(jīng)，海姆還利用磁力克服了重力，使一只青蛙懸浮在半空中，而獲得“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”。正是這種，寓科研于娛樂的科研氛圍和對(duì)未知世界濃厚的探究興趣，促成了石墨烯這一重大發(fā)現(xiàn)。其實(shí)，他們的成功并不是偶然的；只有擁有了堅(jiān)實(shí)的科研基礎(chǔ)，才會(huì)選對(duì)研究方向，才會(huì)有這樣的“突破性實(shí)驗(yàn)”。
　　眾所周知，我們無(wú)論如何也不可能用透明膠布從鐵皮上粘出一層鐵原子。然而，海姆他們從鉛筆芯的石墨中粘出了一層碳原子。其中，他們就利用了石墨晶體的特殊性質(zhì)——既有分子晶體又有原子晶體。石墨晶體中分為許多層(如圖1a)，每一層間存在著范德華力（層與層之間的距離為0.345nm），每一層又是由許多碳原子以共價(jià)鍵構(gòu)成的正六邊形（碳原子間的距離為0.142nm）組成。由于可見，層間的分子間范德華力弱，石墨晶體的層與層之間容易滑動(dòng)或是剝離；而每一層中相鄰的三個(gè)碳原子以σ鍵結(jié)合而形成的六角網(wǎng)格又非常牢固……因此，科學(xué)家們就可以利用透明膠布粘取出石墨單晶層——石墨烯。當(dāng)年，海姆和諾沃肖洛夫就從類似鉛筆芯的石墨碎片中剝離出較薄的石墨薄片，接著利用普通膠帶粘住薄片的兩側(cè)，撕開膠帶，在耐心的不斷重復(fù)后，得到越來(lái)越薄的石墨薄片，最后制成由一層碳原子構(gòu)成的石墨烯(如圖1b)。
　　
　　3 石墨烯的特點(diǎn)及應(yīng)用前景
　　
　　石墨烯不單因?yàn)楸《雒?，還因?yàn)樗奶厥庑再|(zhì)而出眾。美國(guó)的一個(gè)物理研究小組經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石墨烯是現(xiàn)在世界上已知的最為牢固的材料。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100 納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9 微牛。如果，用石墨烯做成包裝袋，那它將能承受大約兩噸重的物品?？梢韵胂?，將能承受如此高壓的材料應(yīng)用于工程和電子器件中，將會(huì)展現(xiàn)出多么優(yōu)異的性能。例如，可以開發(fā)出如紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、可以制造出超級(jí)堅(jiān)韌的防彈衣，甚至可能是“太空電梯”纜線的最佳材料。
　　在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，石墨烯這種穩(wěn)定二維材料的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)即震撼了凝聚態(tài)物理界。
　　現(xiàn)在，眾所周知的集成電路晶體管普遍采用硅材料制造，但當(dāng)硅材料尺寸小于10納米時(shí)，用它制造出的晶體管穩(wěn)定性變差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1個(gè)分子大小的單電子晶體管。此外，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導(dǎo)電性也很好。因?yàn)?，石墨烯中的電子是沒有質(zhì)量的，且是以恒定的高達(dá)106m/s速率移動(dòng)。且石墨烯的室溫量子霍爾效應(yīng)，無(wú)質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子型載流子（電子）的遷移率也非常高［2］。因此，石墨烯被普遍認(rèn)為會(huì)最終替代硅，從而引發(fā)電子工業(yè)革命。例如，它可以用來(lái)生產(chǎn)透明觸摸屏、燈光板、太陽(yáng)能電池、甚至是超級(jí)計(jì)算機(jī)等。
　　
　　4 對(duì)物理教學(xué)的啟示
　　
　　同時(shí)，2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)的獲得者——海姆師徒二人的研究經(jīng)過(guò)也給我們物理教育者帶來(lái)很多的啟示：
　?。?）老師可以適當(dāng)加強(qiáng)對(duì)自主探究式實(shí)驗(yàn)的重視，及時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)，提高同學(xué)們的創(chuàng)新意識(shí)以及發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。
　?。?）課堂中，老師可以多注重引導(dǎo)同學(xué)們的積極主動(dòng)的思考，增進(jìn)師生交流，加強(qiáng)同學(xué)們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。
　?。?）同時(shí)，老師也可以適時(shí)調(diào)動(dòng)同學(xué)們間的生生交流，提高同學(xué)們間的交流與合作意識(shí)，共同解決一些較復(fù)雜問題。
　　（4）此外，老師還可以適當(dāng)加強(qiáng)課堂教學(xué)知識(shí)與社會(huì)科技發(fā)展的聯(lián)系，增強(qiáng)同學(xué)們的物理學(xué)習(xí)興趣及學(xué)以致用的能力，并可以讓同學(xué)們?cè)谟鋹偟姆諊薪涣?、學(xué)習(xí)提高。
　　
　　5 結(jié)語(yǔ)
　　
　　任何一項(xiàng)科學(xué)成就的取得，都并非是偶然的，創(chuàng)新一直是當(dāng)前的一個(gè)熱門話題，作為一個(gè)中學(xué)物理教師，讓我們?cè)谌粘＝虒W(xué)中，引導(dǎo)同學(xué)在自主、合作的學(xué)習(xí)氛圍中，了解知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程，提高實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力。物理學(xué)的發(fā)展日新月異，2011年已經(jīng)到來(lái)，石墨烯材料會(huì)帶給我們更多驚喜嗎?今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)又將花落誰(shuí)家?讓我們拭目以待吧。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　［1］Novoselov K S，Geim A G，Morozov S V，eta1．Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films［J］．Science，2004，306：666-669．
　　［2］馬圣乾，裴立振，康英杰.石墨烯研究進(jìn)展［J］ .現(xiàn)代物