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)―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)目中就能看出端倪，諸如“幾乎所有哺乳動物的尿尿時(shí)間都一樣”“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)是嚴(yán)肅的研究項(xiàng)目。

不過，搞笑諾貝爾獎(jiǎng)雖然有其戲謔成分，但得主中不乏充滿創(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)，當(dāng)年還參加了頒獎(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―同獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，從而成為迄今為止唯――位“雙料諾貝爾獎(jiǎng)得主”。

海姆先生與“磁懸浮青蛙”

安德烈·海姆，1958年10月出生于俄羅斯西南部城市索契，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3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)研究工作，現(xiàn)為英國曼徹斯特大學(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，腦中裝著豐富的知識的同時(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。

“磁懸浮青蛙”就是―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，讓他可以飄浮在半空中。

這背后的科學(xué)依據(jù)是：反磁性物體會被磁場排斥。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?！按艖腋∏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，在外加磁場中，青蛙體內(nèi)的水表現(xiàn)出很強(qiáng)的反磁性，讓青蛙能夠懸浮。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)或偏出磁場掉下來，這是需要很高的技術(shù)水平的，因?yàn)檫@需要在青蛙這個(gè)系統(tǒng)中使各種力量保持平衡，而不單單是―種磁力的平衡。

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

星期五晚上的實(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。“磁懸浮青蛙”實(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)椤靶瞧谖逋砩系膶?shí)驗(yàn)”。當(dāng)然這個(gè)名字并不準(zhǔn)確，它其實(shí)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細(xì)微的絨毛，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），億萬根這樣的絨毛就足以產(chǎn)生巨大的吸附力，從而可使壁虎爬上任何物體表面，甚至玻璃做的天花板。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)

“星期五晚上的實(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)，可以想象，大部分實(shí)驗(yàn)徹底失敗了。但是有3個(gè)成功案例：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，人類已知最薄的材料，一種為物理學(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，所以被稱為石墨烯。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，使得石墨非常軟、容易剝落。

科學(xué)家在20世紀(jì)40年代就對類似石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過理論研究，但在此后很長的時(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“星期五晚上的實(shí)驗(yàn)”中的一個(gè)。這個(gè)瘋狂的實(shí)驗(yàn)最初交給一位新來的中國博士生來做，海姆教授買了一大塊高定向裂解石墨，讓這位博士生在一臺很好的拋光機(jī)上研磨，越薄越好。3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。

海姆要求這位中國留學(xué)生再研磨得薄一點(diǎn)，但他沒辦法做到了，于是在這個(gè)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件事情，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10到20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，提取出了世界上第―個(gè)二維的晶體物質(zhì)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(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)埃利對這倆人采用的如此簡單的研究方法感到驚訝：“在這個(gè)復(fù)雜的年代，有許多像超級對撞機(jī)一樣的設(shè)備，但他們居然成功地用透明膠帶贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。”

石墨烯：前景光明的材料

石墨烯對物理學(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)超其他一切材料。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的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1%的石墨烯，就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性；加入1‰的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30℃。在此基礎(chǔ)上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強(qiáng)韌性的新型材料，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，即使最輕微的污染也能被察覺。

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，趣味和嚴(yán)肅無論如何也不能硬拼到一起的，可是現(xiàn)在，海姆和諾沃肖洛夫卻向我們作了最強(qiáng)有力的反證：把游戲的趣味融入科學(xué)研究當(dāng)中，不受任何拘束地嘗試無數(shù)種可能，未必就出不了偉大成果。當(dāng)年諾貝爾獎(jiǎng)評審委員會在新聞公告里還特意提到，把研究工作視為“游戲”是海姆和諾沃肖洛夫團(tuán)隊(duì)的特點(diǎn)之一，“在游戲中學(xué)習(xí)，或許有一天真的會中大獎(jiǎng)”。