安德烈·海姆：膠帶撕出來的石墨烯之父

王江山

?安德烈·海姆

天才少年遇挫折

1958年10月21日，安德烈·海姆出生于俄羅斯索契。他的父母都是德裔工程師，連祖父母從事的工作也都和科學(xué)有關(guān)。也許正是受到家族的影響，安德烈從小就展現(xiàn)出在科學(xué)方面的天賦，還獲得過當(dāng)?shù)鼗瘜W(xué)奧林匹克競(jìng)賽的冠軍。

安德烈16歲就高中畢業(yè)，還獲得了一枚獎(jiǎng)勵(lì)給優(yōu)秀畢業(yè)生的金牌。一路順風(fēng)順?biāo)乃靶牟?，決心報(bào)考俄羅斯（當(dāng)時(shí)為蘇聯(lián)）的頂尖大學(xué)—莫斯科工程物理研究所（MIFI，現(xiàn)為國(guó)立核工業(yè)大學(xué)）。出人意料的是，面試中的問題都非常難，安德烈失敗了。但他并沒有氣餒，對(duì)父母說自己想再試一年。

?莫斯科物理技術(shù)學(xué)院

就這樣，這個(gè)天才少年迎來了自己的間隔年，而這一年也讓他受益匪淺：他去父母的工廠工作，負(fù)責(zé)測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)，親眼見識(shí)了機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的模式;去上物理補(bǔ)習(xí)班時(shí)，他遇到了一位來自納爾奇克市某所大學(xué)的物理學(xué)教授，這位老師教給了他重要的處理物理問題的思維方法，即使多年以后，他仍能運(yùn)用此方法解決難題。

經(jīng)過一年的準(zhǔn)備，安德烈對(duì)自己更有信心，再次報(bào)考了MIFI。誰知面試那天，安德烈發(fā)現(xiàn)自己和一些外國(guó)孩子被分配到同一個(gè)教室，雖然他們被問的問題都非常困難，但安德烈仍給出了很好的答案?？杉词谷绱耍瑲v史卻再一次重演，安德烈又落榜了。作為一個(gè)生活在俄羅斯的德裔，安德烈早就在成長(zhǎng)過程中體會(huì)到被視為“異類”的滋味。

幸而優(yōu)秀的人總能找到好去處，安德烈后來被莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）錄取了，這所學(xué)院和MIFI一樣知名。安德烈原本更喜歡粒子物理或天體物理，誰知陰差陽錯(cuò)進(jìn)入了固態(tài)物理專業(yè)，冥冥中為他的“諾獎(jiǎng)”之路鋪了第一塊磚石。

精英學(xué)校登巔峰

莫斯科物理技術(shù)學(xué)院是一所要求嚴(yán)格的精英學(xué)校，安德烈回憶道：“我們被迫在所學(xué)的每一件事上思考并尋找邏輯，而不僅僅是記憶事實(shí)和公式……這些問題具有挑戰(zhàn)性，需要不同學(xué)科領(lǐng)域的結(jié)合，這讓我們真正去理解科學(xué)，而不僅僅是記憶科學(xué)?！?/p>

來自小城的安德烈有些不適應(yīng)：他曾是天才，然而這所學(xué)校中幾乎所有學(xué)生都是如此，甚至比他更優(yōu)秀，他們中的很多人都是物理或數(shù)學(xué)的國(guó)際奧林匹克競(jìng)賽冠軍。一開始安德烈總是落后，但一年以后，他又在學(xué)業(yè)上大放異彩了。

人物小傳安德烈·康斯坦丁·海姆（1958年10月21日—），英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理與天文學(xué)院物理學(xué)家。1987年，博士畢業(yè)于俄羅斯科學(xué)院，曾在許多國(guó)際知名高校任職。2010年，因在石墨烯材料方面的貢獻(xiàn)與同事康斯坦丁·諾沃肖洛夫分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1987年，他在俄羅斯科學(xué)院（RAS）固體物理研究所（ISSP）獲得科學(xué)候選人學(xué)位（相當(dāng)于博士學(xué)位），正式開始了研究工作。他所在的實(shí)驗(yàn)室位于莫斯科郊區(qū)，那里寧靜祥和，四周森林環(huán)繞。盡管生活條件有些艱苦，但他很享受那段寧靜的時(shí)光。

雖然生活愜意，可作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，安德烈的研究面臨著一個(gè)最大的問題——沒有好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。當(dāng)時(shí)有很多俄羅斯科學(xué)家都離開了祖國(guó)，安德烈認(rèn)為，這和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的落后有一定的關(guān)系。于是，他又去了巴斯大學(xué)和哥本哈根大學(xué)擔(dān)任博士后研究員。

?2004年，安德烈從石墨中剝離單層石墨烯的工具—石墨、石墨烯晶體管和膠帶分配器。2010年，安德烈和康斯坦丁將其捐贈(zèng)給斯德哥爾摩諾貝爾博物館

?2010年諾貝爾獎(jiǎng)新聞發(fā)布會(huì)上的安德烈（右）和康斯坦?。ㄗ螅?/p>

1994年，安德烈成為內(nèi)梅亨大學(xué)的副教授，從事介觀超導(dǎo)研究。后來，他獲得了荷蘭國(guó)籍，但因受不了荷蘭學(xué)術(shù)體系內(nèi)的官僚主義，他又一次選擇了離開。

2001年，他成為曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授，2002年被任命為曼徹斯特大學(xué)介觀學(xué)和納米技術(shù)中心主任。這個(gè)不斷遷徙的“異鄉(xiāng)人”找到了新的定居點(diǎn)。

探索石墨烯

安德烈是一個(gè)興趣廣泛、習(xí)慣于憑愛好做研究的科學(xué)家，他曾說：“許多人一輩子只選擇一門學(xué)科攻讀到老，而我已經(jīng)換了五次科目?！?004年，他將目光投向了新領(lǐng)域——石墨烯。

石墨的晶體結(jié)構(gòu)是層狀的，相鄰的兩層靠微弱的范德華力（分子間作用力）貼合在一起，層與層之間充斥著大量的電子，因此，石墨是良好的導(dǎo)電體。只有一個(gè)碳原子厚度的單層石墨就是石墨烯，這是一種二維晶體，它的電子運(yùn)動(dòng)速度極快，因此會(huì)具有非常特殊的物理性質(zhì)，可以促進(jìn)人們對(duì)基礎(chǔ)物理的研究?？稍趺床拍艿玫絾螌邮?，制備出石墨烯呢？雖然這是一個(gè)熱門領(lǐng)域，但研究者們都認(rèn)為制備石墨烯是極為困難的。

但安德烈還是決心一試，他想到了一個(gè)最直接的辦法—磨。安德烈讓手下的研究生進(jìn)行磨制工作，可幾個(gè)月后，還是毫無進(jìn)展，研究生也表示要放棄。這時(shí)，安德烈卻注意到，那個(gè)研究生為了讓石墨更干凈，會(huì)用膠帶去粘石墨的表面。他靈機(jī)一動(dòng)，將粘著石墨的膠帶放到顯微鏡下，果然，他發(fā)現(xiàn)石墨的厚度大大減少了！于是，安德烈先用一種特殊膠帶粘一小塊石墨，然后再撕開膠帶，接著再用新膠帶去粘舊膠帶，如此反復(fù)，很快就得到了更薄的石墨片—只有10層左右。

安德烈不敢怠慢，他用這些石墨片制成了具有柵控特性的電子器件。2004年10月，他的研究小組在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了這一研究成果。之后他又得到了更薄的石墨片，石墨烯終于被制備出來。石墨烯中碳原子的復(fù)雜排列意味著它是世界上第一種二維材料—比紙薄，只是一張紙的1/1000000，比鋼強(qiáng)200倍。它是我們現(xiàn)在所知的最導(dǎo)電的材料之一，重量極輕，肉眼看不見。安德烈和同事康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，兩人也因此獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

保持幽默，保持好奇

生活中的安德烈是個(gè)幽默的人，總是保持著旺盛的好奇心和奇妙的想象力。他曾將一只青蛙放到磁場(chǎng)中，調(diào)整出合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度，讓外界的力與青蛙受的重力達(dá)到平衡，好讓青蛙懸浮在空中，也因此獲得了“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”。

除此之外，他還發(fā)明了一種特殊的“壁虎膠帶”，帶上配有這種膠帶的特制手套，人就可以攀爬高樓。為了展示這種膠帶的特性，他用它將一個(gè)蜘蛛俠的模型粘在了天花板上，令人捧腹。當(dāng)安德烈獲得諾貝爾獎(jiǎng)的消息傳來，人們紛紛向他祝賀時(shí)，他卻開玩笑說自己唯一的要求就是能在自己的大樓前有一個(gè)停車位，“這能讓我每天省下20分鐘的時(shí)間?！?p>

?石墨烯是由碳原子組成的原子級(jí)蜂窩晶格

?懸浮青蛙

?被安德烈用“壁虎膠帶”粘在天花板上的蜘蛛俠模型

?安德烈在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮上彎腰致謝

2009年，安德烈獲得了科爾伯歐洲科學(xué)獎(jiǎng)。一年后，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院授予他約翰·約瑟夫·卡蒂科學(xué)進(jìn)步獎(jiǎng)（John J. Carty Award for the Advancement of Science），以表彰他“對(duì)石墨烯的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和研究”。2010年，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)授予他休斯獎(jiǎng)?wù)拢℉ughes Medal），以表彰他“革命性地發(fā)現(xiàn)石墨烯并闡明其卓越特性”。那個(gè)曾在升學(xué)考試中被拒絕的男孩，如今收獲了全世界的橄欖枝。

安德烈表示，預(yù)計(jì)自己到了75歲時(shí)還會(huì)繼續(xù)工作，但別指望他會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而“成熟”。他就像一個(gè)科學(xué)世界的頑童，憑借興趣去探索自然的奧秘，不懼怕失敗也不在乎別人的嘲諷，只希望獲得知識(shí)與真相。正如他自己所說：“必須有人拿起一塊石頭扔進(jìn)沼澤地，看看會(huì)產(chǎn)生什么樣的波浪?！?/p>