從搞笑諾貝爾獎(jiǎng)到諾貝爾獎(jiǎng)

高存遠(yuǎn)

搞笑諾貝爾獎(jiǎng)雖然也叫諾貝爾獎(jiǎng)，但其實(shí)與真正的諾貝爾獎(jiǎng)一點(diǎn)關(guān)系都沒有，它就是一個(gè)搞怪的鬧劇，這從它每年的得獎(jiǎng)項(xiàng)目就能看出端倪，諸如“老年人的耳朵更大”“幾乎所有哺乳動(dòng)物的尿尿時(shí)間一樣”“接吻可以減輕皮膚過敏反應(yīng)”“用腌豬肉來治療小孩子流鼻血”“將炸藥制作成鉆石的方法”等獲得搞笑諾貝爾獎(jiǎng)的項(xiàng)目，沒一個(gè)是正經(jīng)的研究。

不過，搞笑諾貝爾獎(jiǎng)雖有其戲謔成份，但得主中不乏有創(chuàng)意的科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。俄羅斯裔荷蘭物理學(xué)家安德烈·海姆，2000年因?yàn)椤按艖腋∏嗤堋倍@得搞笑諾貝爾獎(jiǎng)，他當(dāng)年還親自參加了頒獎(jiǎng)典禮。2010年他以“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”而與其學(xué)生康斯坦丁·諾沃肖洛夫一同獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，從而成為迄今為止唯一一位“雙料諾貝爾獎(jiǎng)得主”。

海姆先生與懸浮的青蛙

安德烈·海姆，1958年10月出生于俄羅斯西南部城市索契，但父母是德國人。1987年，他在俄羅斯科學(xué)院固體物理學(xué)研究院獲得博士學(xué)位，畢業(yè)后在俄羅斯科學(xué)院微電子技術(shù)研究院工作三年，之后在英國諾丁漢大學(xué)、巴斯大學(xué)和丹麥哥本哈根大學(xué)繼續(xù)他的研究工作，現(xiàn)任英國曼徹斯特大學(xué)教授。2017年11月，他還當(dāng)選中國科學(xué)院外籍院士。

海姆先生是真正的至情至性之人，腦中裝載著豐富的知識(shí)同時(shí)又天馬行空妙趣橫生。他的研究論文語言通俗易懂，即使非專業(yè)人士也可以瀏覽閱讀。而他本人也有許多有趣的發(fā)明，看似與嚴(yán)肅的科學(xué)研究無關(guān)，卻又能給真正的科學(xué)發(fā)現(xiàn)帶來靈感。

“懸浮的青蛙”就是一個(gè)著名案例。2000年，“搞笑諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)”授予了海姆和一個(gè)英國人邁克爾·貝瑞，他倆使用磁性克服了重力作用，使一只青蛙懸浮在半空中，并推測使用類似的方法可以克服一個(gè)人的重力作用，讓他在半空中漂浮起來。

這背后的科學(xué)依據(jù)是：反磁性物體會(huì)被磁場排斥。當(dāng)場強(qiáng)足夠大時(shí)，斥力就可以平衡重力，物體就能在磁場中穩(wěn)定懸浮?！皯腋〉那嗤堋睂?shí)驗(yàn)其實(shí)就是利用青蛙體內(nèi)水的反磁性來讓青蛙懸浮的，在外加磁場中，青蛙體內(nèi)的水表現(xiàn)出很強(qiáng)的反磁性，讓青蛙懸浮。其實(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)并不是如何讓青蛙懸浮，而是讓青蛙穩(wěn)定、平衡地懸浮在磁場中，而不旋轉(zhuǎn)或偏出磁場而掉下來，這是需要很高的技術(shù)的，因?yàn)檫@需要在青蛙這個(gè)系統(tǒng)中使各種力量保持平衡，而不單單只是一種磁力的平衡。

“懸浮的青蛙”被美國《大眾機(jī)械》雜志評(píng)選為18年來“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”最受歡迎的十大成果之一。

星期五晚的實(shí)驗(yàn)

或許只有這樣寓科研于娛樂的人，才能開辟出不同尋常的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅?！皯腋〉那嗤堋睂?shí)驗(yàn)是如此的有趣，甚至讓人上了癮。從那以后，海姆先生開始嘗試一些不合常規(guī)的實(shí)驗(yàn)，并且無端地稱它們?yōu)椤靶瞧谖逋淼膶?shí)驗(yàn)”。當(dāng)然這個(gè)名字并不準(zhǔn)確，它其實(shí)是意味著利用周末業(yè)余時(shí)間來做。因?yàn)闆]有什么深入的研究工作可以在一個(gè)晚上完成，實(shí)際上，它需要好幾個(gè)月的橫向思考，毫無明確目的地查閱不相關(guān)的文獻(xiàn)。

2003年，海姆偶然讀到一篇文章描述了壁虎超強(qiáng)的攀爬能力背后的原理。壁虎的腳趾上覆蓋著許多微細(xì)的絨毛，每一根絨毛能夠和它要攀爬的表面產(chǎn)生微弱的范德瓦爾斯力（一種分子間的作用力），但是億萬根這樣的絨毛就足以產(chǎn)生巨大的吸引力，從而可以使得壁虎爬上任何物體表面，甚至玻璃的天花板。于是，他又打定主意想模仿壁虎腳上的絨毛。海姆設(shè)計(jì)出了一種有著極小絨毛的材料，使其達(dá)到壁虎腳上絨毛的效果。將1平方厘米的“模擬壁虎腳絨毛材料”安在垂直平面上，居然可以支撐起1千克的重量。

不幸的是，這種人造的材料比不上壁虎的腳趾，經(jīng)過幾次粘貼和分離之后，它的黏附力就完全消失了。但是，這仍不失為一個(gè)重要的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，它啟發(fā)了更多人在這個(gè)領(lǐng)域中的深入研究。也許某一天，人們能夠復(fù)制出像壁虎腳趾那樣的結(jié)構(gòu)和具有自我清潔功能的膠帶，這樣這項(xiàng)研究就可以轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品了。

把研究視為游戲卻得諾獎(jiǎng)

“星期五晚實(shí)驗(yàn)”在大約15年的時(shí)間里一共做了二三十個(gè)奇奇怪怪的實(shí)驗(yàn)，可以想見，大部分都徹底失敗了。但是有三個(gè)成功者：磁懸浮，壁虎膠帶以及石墨烯。其中最值得大書特書的就是石墨烯——它為安德烈·海姆及其學(xué)生康斯坦丁·諾沃肖洛夫贏得了2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

碳是最重要的元素之一，它有著獨(dú)特的性質(zhì)，是所有地球生命的基礎(chǔ)。純碳能以截然不同的形式存在，可以是堅(jiān)硬的鉆石，也可以是柔軟的石墨。2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)所指向的，是碳的另一張奇妙臉孔：石墨烯。

想象有那么一張單層的網(wǎng)，每一個(gè)網(wǎng)格都是一個(gè)完美的六邊形，每一個(gè)繩結(jié)都是一個(gè)碳原子。這張網(wǎng)只有一個(gè)原子那么厚，可以說沒有高度、只有長寬，是二維而不是三維的。這就是石墨烯，它是二維的碳，人類已知的最薄材料，一種正為物理學(xué)和材料學(xué)帶來許多新發(fā)現(xiàn)的東西。

由于這種材料是從石墨中制取的，而且包含烯類物質(zhì)的基本特征——碳原子之間的雙鍵，所以稱為石墨烯。實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。層與層之間附著得很松散，容易滑動(dòng)，使得石墨非常軟、容易剝落。

科學(xué)家在20世紀(jì)40年代就對(duì)類似石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過理論研究，但在此后很長時(shí)間里，制取單層石墨烯的努力一直沒有成功，有人認(rèn)為這樣的二維材料是不可能在常溫下穩(wěn)定存在的。2004年10月，發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上的一篇論文推翻了這種認(rèn)知。在英國曼徹斯特大學(xué)工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用普通膠帶完成了他們的“魔術(shù)”。

石墨烯的實(shí)驗(yàn)，也是“星期五晚上實(shí)驗(yàn)”中的一個(gè)。這個(gè)瘋狂實(shí)驗(yàn)最初交給一位新來的中國博士生，他買了一大塊高定向裂解石墨，讓這位博士生在一臺(tái)很好的拋光機(jī)上研磨，越薄越好。三個(gè)星期后，博士生跑來說成功了。但實(shí)際上，獲得的石墨片仍然厚達(dá)10微米，相當(dāng)于1000層。

海姆要求這個(gè)中國留學(xué)生再研磨得薄一點(diǎn)，但中國學(xué)生也沒辦法做到了，于是在這關(guān)鍵時(shí)刻打了退堂鼓。這時(shí)他們組里的博士后康斯坦丁·諾沃肖洛夫在某個(gè)周五的閑聊中知道了這個(gè)事情，突發(fā)奇想，要用透明膠帶從石墨上粘下薄片，這樣的薄片仍然包含許多層石墨烯。但反復(fù)粘上十到二十次之后，薄片就變得越來越薄，最終產(chǎn)生只有一層碳原子的石墨烯。最終他們就是用這樣一個(gè)很山寨的點(diǎn)子，制備出了世界上第一個(gè)二維的晶體物質(zhì)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵性設(shè)備就是——透明膠帶。牛津大學(xué)物理學(xué)教授保羅·拉達(dá)埃利對(duì)這兩人采用的如此簡單研究方法感到驚訝：“在這個(gè)復(fù)雜的年代，有許多像超級(jí)對(duì)撞機(jī)一樣的設(shè)備，但他們居然成功地用透明膠帶贏得諾貝爾獎(jiǎng)?！?/p>

石墨烯：前景光明的未來材料

石墨烯對(duì)物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著特殊意義，它使一些此前只能紙上談兵的量子效應(yīng)可以通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，例如電子無視障礙、實(shí)現(xiàn)幽靈一般的穿越。但更令人感興趣的，是它那許多“極端”性質(zhì)的應(yīng)用前景。

石墨烯既是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高出百倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，可以承受一只貓的重量，而吊床本身重量不足1毫克，只相當(dāng)于貓的一根胡須。

石墨烯的導(dǎo)電性比銅更好，導(dǎo)熱性遠(yuǎn)超一切其他材料。它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是氦原子——最小的氣體原子也無法穿透。

科學(xué)家認(rèn)為，利用石墨烯制造晶體管，有可能最終替代現(xiàn)有的硅材料，成為未來的超高速計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。晶體管的尺寸越小，其性能越好。硅材料在10納米的尺度上已開始不穩(wěn)定，而石墨烯可以將晶體管尺寸極限向下拓展到1個(gè)分子大小。海姆和諾沃肖洛夫已于2008年制造出1個(gè)原子厚、10個(gè)原子寬的晶體管。

石墨烯還可用于制造透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎(chǔ)上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強(qiáng)韌新型材料，用于制造汽車、飛機(jī)和衛(wèi)星。由于具備完美結(jié)構(gòu)，石墨烯還能用來制造超靈敏的感應(yīng)器，即使是最輕微的污染也能察覺。

再也沒有什么比海姆和康斯坦丁的傳奇經(jīng)歷更能詮釋研究與游戲之間的“鴻溝”的了。以往，我們都覺得游戲就是游戲，研究就是研究，玩味和嚴(yán)肅無論如何也不能硬拼到一起的，可是現(xiàn)在，海姆和康斯坦丁卻向我們作了最強(qiáng)有力的反證：把游戲的趣味融入到科學(xué)研究當(dāng)中，不受任何拘謹(jǐn)?shù)貒L試無數(shù)種可能，未必就出不了偉大成果。當(dāng)年諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)在新聞公告里還特意提到，把研究工作視為“游戲”是海姆和康斯坦丁團(tuán)隊(duì)的特點(diǎn)之一，“在過程中學(xué)習(xí)，誰知道或許有一天會(huì)中大獎(jiǎng)”。