淺談唯物主義辯證法在二維材料研究中的作用

□宋納紅 師 文 王玉生 賈 敏

一、唯物主義辯證法與凝聚態(tài)物理學(xué)

唯物主義辯證法是關(guān)于對(duì)立統(tǒng)一、斗爭(zhēng)和運(yùn)動(dòng)、普遍聯(lián)系和變化發(fā)展的哲學(xué)學(xué)說(shuō)，是馬克思主義理論的主要組成部分。馬克思主義認(rèn)為，辯證法是關(guān)于普遍聯(lián)系的科學(xué)，其對(duì)辯證法的科學(xué)定義是：辯證法是關(guān)于自然、人類(lèi)社會(huì)和思維發(fā)展最一般規(guī)律的科學(xué)。唯物主義主要有三個(gè)基本規(guī)律，對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律、量變與質(zhì)變規(guī)律和否定之否定規(guī)律[1]。

物理學(xué)來(lái)自于哲學(xué)，1687年英國(guó)物理學(xué)家艾薩克·牛頓創(chuàng)作了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)。該書(shū)從各種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象中探討自然力，再用力來(lái)解釋自然現(xiàn)象。提出了力學(xué)的三大定律和萬(wàn)有引力定律，從而使經(jīng)典力學(xué)成為一個(gè)完整的理論體系。直到現(xiàn)在，牛頓三定律仍然是描述宏觀低速系統(tǒng)中的正確定律。凝聚態(tài)物理是物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和粒子之間相互作用規(guī)律的學(xué)科，進(jìn)一步研究凝聚態(tài)物質(zhì)的原子之間的結(jié)構(gòu)、電子態(tài)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的各種物理性質(zhì)。凝聚態(tài)物理學(xué)是當(dāng)前物理學(xué)中最活躍的分支學(xué)科之一，在許多學(xué)科領(lǐng)域乃至最前沿的高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為發(fā)展新材料、新技術(shù)、新工藝等提供了強(qiáng)有力的理論支撐。唯物主義辯證法在凝聚態(tài)物理的發(fā)展過(guò)程中起到了重要的指導(dǎo)作用，利用唯物主義辯證法的理論來(lái)思考問(wèn)題，可以更好地促進(jìn)凝聚態(tài)物理相關(guān)領(lǐng)域的研究。

二、二維材料研究與哲學(xué)思考

(一)量變與質(zhì)變規(guī)律在制備石墨烯研究中的應(yīng)用。二維材料是一類(lèi)新興的納米材料，是凝聚態(tài)物理比較前沿的研究領(lǐng)域。和三維塊體材料相比，二維材料具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，所以近幾十年引起了廣大科學(xué)工作者持之以恒的研究興趣。石墨烯的發(fā)現(xiàn)使科學(xué)界產(chǎn)生了巨大波瀾，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。盡管二維材料的探索可以追溯到幾十年前，但是直到2004年才從實(shí)驗(yàn)上制備出真正的二維納米材料——石墨烯，這標(biāo)志著超薄納米材料的誕生[2]。兩位英國(guó)的科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，由于在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，在2010年共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[3]。石墨烯的發(fā)現(xiàn)向人類(lèi)展示了二維物質(zhì)能夠在自然界中穩(wěn)定存在，從而開(kāi)辟了原子厚度的二維物質(zhì)研究的新時(shí)代。石墨烯的發(fā)現(xiàn)不僅打破了長(zhǎng)久以來(lái)二維晶體無(wú)法在自然界中穩(wěn)定存在的預(yù)言，而且由于其自身的優(yōu)異性質(zhì)也使得石墨烯在基礎(chǔ)研究和未來(lái)應(yīng)用中極具潛力。石墨烯的出現(xiàn)是人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界和改造世界的重大突破，這說(shuō)明在認(rèn)知世界方面人類(lèi)的認(rèn)知能力上升到了一個(gè)新的層次，標(biāo)志著人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展邁向新的空間。

二維材料具有許多優(yōu)于傳統(tǒng)三維材料的性質(zhì)。以石墨烯為例，其載流子的移動(dòng)速度約為200,000cm2V-1s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它普通的半導(dǎo)體材料。石墨烯具有極強(qiáng)的熱導(dǎo)性能，導(dǎo)熱系數(shù)為5,000Wm-1K-1，比一般金屬良好。由于石墨烯中的碳原子是sp2雜化的，決定了石墨烯具有極高的強(qiáng)度，其楊氏模量約1,100千帕，是目前人類(lèi)已知的強(qiáng)度最高的材料，甚至比鉆石還硬。石墨烯的比表面積可達(dá)2,630m2g-1，這使得石墨烯能夠有效地吸附原子和小分子，是很好的催化劑載體，也可用于能量存儲(chǔ)和鋰離子電池的電極材料。石墨烯的電學(xué)特性也極其特異，具有室溫量子霍爾效應(yīng)。由于這些獨(dú)特的性質(zhì)，石墨烯在薄膜、傳感器、超級(jí)電容器、能量存儲(chǔ)等方面都有廣泛應(yīng)用[4]。

石墨烯的實(shí)驗(yàn)制備體現(xiàn)了哲學(xué)中量變與質(zhì)變的規(guī)律。量變是質(zhì)變的必要準(zhǔn)備，質(zhì)變是量變的必然結(jié)果。量變是數(shù)量的增減，是漸進(jìn)的變化。質(zhì)變是一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)的飛躍。質(zhì)變始于量變，量變達(dá)到一定程度必然引起質(zhì)變。量變和質(zhì)變互相滲透，在量變的過(guò)程中有著部分的質(zhì)變。自然界中每一件事情的發(fā)展都是一個(gè)緩慢的過(guò)程，都經(jīng)歷了一系列量的積累。只有在量變積累到一定程度的時(shí)候，質(zhì)變才能發(fā)生。石墨烯制備原理方法很容易理解：首先從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后把膠帶貼在薄片的兩面，撕開(kāi)膠帶，薄片變得更薄。再接著重復(fù)上面的操作，最后得到只有單層原子構(gòu)成的石墨，這就是石墨烯。剛開(kāi)始用膠帶撕石墨片并沒(méi)有獲得單層石墨烯，只是使石墨片更薄，這便是量變。

二維材料的制備和應(yīng)用體現(xiàn)了宏觀到微觀，微觀再到宏觀的哲學(xué)思想。人類(lèi)對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)可以分為兩個(gè)層次：宏觀和微觀。宏觀是指研究對(duì)象的尺寸較大，用肉眼可以看的見(jiàn)的物質(zhì)，在宏觀的時(shí)空坐標(biāo)中的下限是有限的，而上限是無(wú)限的。例如汽車(chē)、建筑、太陽(yáng)、星系都屬于宏觀物質(zhì)。所謂微觀，一般是肉眼無(wú)法區(qū)分的較小的物質(zhì)，例如分子、原子、原子核、電子等。還有更小的基本粒子，如中子、質(zhì)子、介子、夸克等。微觀時(shí)空坐標(biāo)的上限一般是原子或分子，下限是無(wú)限的。二維材料的誕生是人類(lèi)對(duì)生產(chǎn)資料在微觀分子層面改造過(guò)程中的創(chuàng)新產(chǎn)物。從石墨片剝離出單原子層的石墨烯體現(xiàn)了從宏觀到微觀的哲學(xué)思想，也就是“從大到小”的方式。而石墨烯的實(shí)際應(yīng)用又體現(xiàn)了從微觀到宏觀的哲學(xué)思想，也就是“從小到大”或“從簡(jiǎn)單到復(fù)雜”的方式[5]。

(二)對(duì)石墨烯發(fā)現(xiàn)和研究過(guò)程的辯證思考。辯證唯物主義的認(rèn)識(shí)論認(rèn)為認(rèn)知過(guò)程要受到多方面條件的限制，主要包括主觀條件和客觀條件。人類(lèi)對(duì)某一事物的認(rèn)識(shí)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，這種認(rèn)識(shí)過(guò)程必然受到人為的主觀因素的限制。主觀因素包括很多方面，比如知識(shí)儲(chǔ)備、抽象思維、創(chuàng)造思維、生活經(jīng)驗(yàn)等。石墨烯的發(fā)現(xiàn)，如果沒(méi)有兩位科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫的創(chuàng)造性思維，如果沒(méi)有關(guān)于石墨和二維材料等方面基礎(chǔ)知識(shí)的儲(chǔ)備是不會(huì)成功的。辯證唯物主義認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)世界中的任何事物、任何關(guān)系、任何過(guò)程都具有必然和偶然的雙重屬性[6]。必然性總是要通過(guò)大量的偶然性表現(xiàn)出來(lái)，沒(méi)有純粹的必然性。偶然性就是機(jī)遇，機(jī)遇產(chǎn)生的客觀依據(jù)在于偶然性和必然性的辯證統(tǒng)一。偶然以必然為基礎(chǔ)，必然通過(guò)偶然來(lái)實(shí)現(xiàn)。物理學(xué)家利用透明膠帶撕扯石墨薄片偶然發(fā)現(xiàn)了石墨烯。在科學(xué)發(fā)展史上，當(dāng)一些研究成果公布后，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者會(huì)感到研究并不復(fù)雜，自己可能也曾遇到過(guò)類(lèi)似的現(xiàn)象，可惜沒(méi)有進(jìn)一步研究，以至喪失了機(jī)遇。從辯證唯物主義認(rèn)識(shí)論的觀點(diǎn)來(lái)看，這充分體現(xiàn)了偶然性和必然性的關(guān)系。當(dāng)機(jī)遇出現(xiàn)時(shí)，如果能夠認(rèn)識(shí)到偶然性背后隱藏著某種必然性，便會(huì)總結(jié)偶然性，繼續(xù)深入研究，進(jìn)一步挖掘隱藏在背后的必然性，找出偶然和必然的內(nèi)在聯(lián)系，由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，這樣新的發(fā)現(xiàn)、新的物質(zhì)就誕生了。反之，如果當(dāng)機(jī)遇出現(xiàn)時(shí)，未能意識(shí)到偶然性背后的必然性，便會(huì)與本來(lái)自己也可以完成的科學(xué)發(fā)現(xiàn)失之交臂。所以，在科學(xué)研究中，遇到一些新的現(xiàn)象要積極思考、善于歸納，能夠利用平時(shí)積累的知識(shí)挖掘其本質(zhì)，找出普適規(guī)律。

辯證唯物主義的認(rèn)識(shí)論認(rèn)為認(rèn)知還必然受到客觀條件的限制。實(shí)驗(yàn)觀察是科學(xué)研究獲得科學(xué)事實(shí)的一種重要手段，歷史上許多科學(xué)成果來(lái)源于觀察實(shí)驗(yàn)中。結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，在理論上給予概括和證明，總結(jié)出科學(xué)研究對(duì)象的本質(zhì)和規(guī)律?？茖W(xué)觀察需要一定的設(shè)備和儀器，這既是客觀條件。掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、X射線衍射儀、透射電鏡等實(shí)驗(yàn)儀器發(fā)明后，涌現(xiàn)出豐碩的研究成果?？陀^條件在認(rèn)知自然的過(guò)程中起到了重要作用，現(xiàn)代科技成果的獲得離開(kāi)先進(jìn)的儀器這一客觀條件是很難完成的。

(三)密度泛函理論的應(yīng)用充實(shí)了辯證唯物主義的認(rèn)識(shí)論和方法論。量子力學(xué)中的薛定諤方程在處理單電子問(wèn)題時(shí)非常成功，但是處理多電子體系就非常困難。而實(shí)際問(wèn)題中大多為多粒子體系，如果直接處理薛定諤方程，即使采用現(xiàn)代物理學(xué)和量子化學(xué)最先進(jìn)的方法也無(wú)法嚴(yán)格地處理多粒子體系的量子態(tài)。因此在具體研究中必須采用某些合理的近似和簡(jiǎn)化來(lái)處理。將復(fù)雜的多電子系統(tǒng)簡(jiǎn)化為多個(gè)單電子體系，再把單電子體系疊加起來(lái)，從而達(dá)到多電子體系的結(jié)果。密度泛函理論就是一種將多體問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單體問(wèn)題，研究多粒子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，在原子、分子和固體的電子結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用取得了顯著成果。

密度泛函理論采用絕熱近似和單電子近似，用電子密度取代多粒子薛定諤方程中具有相互作用電子的空間坐標(biāo)，將多體相互作用簡(jiǎn)化為計(jì)算單粒子有效勢(shì)的問(wèn)題。所以電子密度的地位和作用不再僅是一個(gè)可觀測(cè)量，而是作為一個(gè)基本物理量來(lái)出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)體系歸納和近似，可以電子密度來(lái)獲得其他所有可觀測(cè)量。這不僅減少了計(jì)算量，同時(shí)簡(jiǎn)化的模型也使物理理論更容易被理解。從哲學(xué)上來(lái)看，歸納與演繹作為一個(gè)完整的思維過(guò)程，相互依存，彼此間有著辯證關(guān)系。歸納是從個(gè)別到一般，演繹為歸納提供了應(yīng)用普遍性、一般性的知識(shí)來(lái)分析特殊現(xiàn)象的方法，同時(shí)歸納的結(jié)論是否正確，也需要演繹來(lái)論證。演繹是歸納的指導(dǎo)，歸納是演繹的基礎(chǔ)。人們正是在歸納和演繹的交替中，從個(gè)別到一般，又從一般到個(gè)別，使思想不斷豐富發(fā)展，認(rèn)識(shí)趨于深化。

(四)否定之否定規(guī)律在二維材料研究中的作用。單原子層的石墨烯具有很多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，能夠在自然界穩(wěn)定存在，那么其他類(lèi)似的二維材料能否也穩(wěn)定存在呢？隨著研究的深入，一大批二維材料逐漸被理論預(yù)測(cè)或?qū)嶒?yàn)成功制備。和碳同族的硅元素，電子結(jié)構(gòu)類(lèi)似，和碳具有很多相似的特性。因此研究者首先關(guān)注硅構(gòu)成的二維材料。研究表明硅單層——硅烯是類(lèi)石墨烯結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在低維材料中具有代表性。和石墨烯不同，硅烯不是絕對(duì)的平面結(jié)構(gòu)，原子具有0.44?的起伏。具有褶皺而非平面結(jié)構(gòu)的硅烯是比較穩(wěn)定的。除此之外，研究者還研究了其他類(lèi)石墨烯的二維材料，包括硼氮單層、磷烯、硼烯、過(guò)渡金屬硫族化合物二維材料等。這些新型二維材料具有傳統(tǒng)三維材料無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域應(yīng)用極具潛力。通常情況下，二維材料是沒(méi)有磁性的，這使得二維材料無(wú)法在自旋電子器件中得到應(yīng)用。為了使二維材料字自旋電子器件中能夠應(yīng)用，調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)和磁性是新的挑戰(zhàn)。到目前為止，對(duì)二維材料性能的調(diào)控有很多不同的方法，例如取代摻雜，吸附摻雜，缺陷，邊緣鈍化等。二維材料的發(fā)展充分體現(xiàn)了辯證唯物主義關(guān)于認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)是發(fā)展的這一基本規(guī)律，二維納米材料的誕生標(biāo)志著材料科學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的層次，從認(rèn)識(shí)論的意義上看，人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然的水平又前進(jìn)了一步。也充分證明研究成果的取得不可能是直線型的，其發(fā)展是前進(jìn)性與曲折性的對(duì)立統(tǒng)一。對(duì)石墨烯及其它二維材料性能調(diào)控的研究歷程，體現(xiàn)了哲學(xué)中的否定之否定規(guī)律。

在尋找新的二維材料的過(guò)程中，科學(xué)家已逐漸開(kāi)始關(guān)注具有層狀結(jié)構(gòu)的金屬硫族化合物。因?yàn)?3族硫族化合物具有豐富的內(nèi)稟缺陷結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電子以及光電特性，在基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用兩個(gè)領(lǐng)域中都起著至關(guān)重要的作用。過(guò)渡金屬硫化物中過(guò)渡金屬原子在中間，硫原子在外圍。而Tl2S具有反CdCl2結(jié)構(gòu)，是硫原子而不是鉈原子在中間層，這與過(guò)渡金屬硫化物剛好完全相反。傳統(tǒng)上認(rèn)為T(mén)l2S是稀有的硫鉈礦，Tl2S具有黑色、柔軟和極薄的物質(zhì)特征，已經(jīng)被成功合成。這為進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究探索Tl2S的特性奠定了基礎(chǔ)。Tl2S是半導(dǎo)體，也沒(méi)有磁性。利用第三周期的過(guò)渡金屬摻雜，結(jié)果顯示所有的過(guò)渡金屬和有缺陷的Tl2S結(jié)合較強(qiáng)。體系的磁矩、稀磁半導(dǎo)體和金屬等性質(zhì)和取代摻雜的過(guò)渡金屬原子有關(guān)。過(guò)渡金屬取代摻雜的Tl2S體系(從鈧到鎳)具有分?jǐn)?shù)磁矩。這些發(fā)現(xiàn)將為實(shí)驗(yàn)上和理論上探索二維稀磁半導(dǎo)體提供新的途徑。

否定之否定規(guī)律揭示的是事物發(fā)展的全過(guò)程。事物的發(fā)展是前進(jìn)性和曲折性的統(tǒng)一，是螺旋式上升的，即使現(xiàn)在認(rèn)為是正確的結(jié)論將來(lái)也可能出現(xiàn)變化，追求真理永無(wú)止境。上述類(lèi)石墨烯二維材料的研究開(kāi)發(fā)，說(shuō)明人類(lèi)可以通過(guò)多種研究方法改造生活中的客觀物質(zhì)，通過(guò)認(rèn)知客觀世界，不斷總結(jié)創(chuàng)新的過(guò)程也充實(shí)了辯證唯物主義的認(rèn)識(shí)論和方法論。研制新型二維材料，調(diào)控新型二維材料的性能正是辯證唯物主義方法論中否定之否定規(guī)律在科研中的具體體現(xiàn)，正是這種螺旋式上升的研究，才使人類(lèi)改造自然的能力不斷提高，改善人類(lèi)與自然共存方式得到提升。

三、辯證法與唯物論在二維納米材料研究中的展望

辯證唯物主義的認(rèn)識(shí)論認(rèn)為運(yùn)動(dòng)是不斷反復(fù)的，人認(rèn)識(shí)不同事物也需要不斷運(yùn)動(dòng)反復(fù)，從實(shí)踐到認(rèn)識(shí)，再由認(rèn)識(shí)到實(shí)踐多次反復(fù)才能獲得正確結(jié)論。在認(rèn)識(shí)世界改造世界的過(guò)程中，一定要發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性，不斷探索新的研究方法和觀測(cè)手段，讓新科技為人類(lèi)服務(wù)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和改造自然。二維材料的發(fā)展歷程充分體現(xiàn)了辯證唯物主義的思想。辯證唯物主義的方法論無(wú)處不在，物理學(xué)中諸多理論都是培養(yǎng)辯證唯物主義方法論的重要工具。作為一名理工科的教師，借助辯證唯物主義完成了自己博士期間的科學(xué)研究。今后唯物論與辯證法在教學(xué)科研中還將起到重要的作用。在給學(xué)生上課時(shí)，不僅要傳授給學(xué)生物理學(xué)方面的知識(shí)，還要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)教材中的辯證唯物主義，樹(shù)立正確的世界觀、科學(xué)觀和方法論。

四、結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)自己博士階段學(xué)習(xí)和研究經(jīng)歷，結(jié)合唯物論與辯證法，介紹了博士階段研究領(lǐng)域的研究對(duì)象和研究方法。二維材料的發(fā)展充分體現(xiàn)了唯物論與辯證法思想對(duì)科學(xué)研究的指導(dǎo)作用。石墨烯的發(fā)現(xiàn)和制備過(guò)程正是由量變積累到質(zhì)變飛躍的體現(xiàn)，同時(shí)也反映了偶然性和必然性之間的關(guān)系。當(dāng)偶然或機(jī)遇出現(xiàn)時(shí)，要善于聯(lián)想到其背后隱藏的必然，進(jìn)一步深入研究，從偶然中找到必然，新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)便誕生了。對(duì)現(xiàn)有二維材料性能的調(diào)控充分體現(xiàn)了否定之否定規(guī)律，對(duì)二維材料的認(rèn)識(shí)和改進(jìn)不是直線性的，其發(fā)展是前進(jìn)性與曲折性的對(duì)立統(tǒng)一?？蒲羞^(guò)程要充分利用辯證唯物主義方法論來(lái)思考問(wèn)題，從多方面、多角度對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分析和總結(jié)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象的改造和利用。通過(guò)對(duì)辯證唯物主義方法論的學(xué)習(xí)和思考，結(jié)合自己的科研領(lǐng)域，提升了對(duì)理論知識(shí)的理解，為將來(lái)進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究相關(guān)知識(shí)打下了良好基礎(chǔ)。