2010年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，頒發(fā)給了在英國(guó)的兩位物理學(xué)家蓋姆（AndreGeim）和諾奧肖洛夫（KonstantinNovoselov），表彰他們對(duì)石墨烯（graphene）研究的貢獻(xiàn)。今年的物理獎(jiǎng)，有好幾個(gè)與眾不同的地方。

首先，這是歷史上第一個(gè)關(guān)于碳的物理獎(jiǎng)。我們從中學(xué)就知道，碳有兩種晶體形態(tài)，一個(gè)是金剛石，用在最貴重的首飾上，另一個(gè)是石墨，用在最普通的鉛筆里。我們也知道金剛石是最堅(jiān)硬的天然材料。而石墨卻是非?！按嗳酢钡?。石墨的晶體結(jié)構(gòu)是層狀的。每一層內(nèi)的碳原子結(jié)成穩(wěn)固的六角形結(jié)構(gòu)，而層與層之間的結(jié)合卻弱得多。所以石墨很容易沿著層的方向分裂。在我們常見的物質(zhì)中，碳的“兩面性”可說(shuō)是獨(dú)一無(wú)二的了。

可是故事還才開始呢。1985年，人們發(fā)現(xiàn)碳還有其他的形式：60個(gè)碳原子（C60）能組成一個(gè)球，如圖一所示。C60的結(jié)構(gòu)模型類似一個(gè)足球，所以又叫足球烯。C60的發(fā)現(xiàn)在1996年得到了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。后來(lái)人們又發(fā)現(xiàn)了所謂的“碳納米管”，即由碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)，其直徑在1納米左右，卻可以有幾厘米長(zhǎng)。而這次得獎(jiǎng)的石墨烯則是碳原子組成的單層膜，也就是石墨中的一層。盡管碳是我們最熟悉的元素和我們身體的主要成分，也是物理學(xué)多年的研究對(duì)象，但關(guān)于碳結(jié)構(gòu)的工作卻是第一次獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。

2010年物理獎(jiǎng)還是第一個(gè)在21世紀(jì)做出的得獎(jiǎng)工作（2004年）。而得獎(jiǎng)?wù)咧恢Z奧肖洛夫是1973年以來(lái)最年輕的物理獎(jiǎng)得主。通常，諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)都有點(diǎn)“考古”性質(zhì)，只有極少數(shù)工作會(huì)很快得獎(jiǎng)。而石墨烯的工作問(wèn)世以來(lái)，其重要性很快得到了廣泛承認(rèn)。就拿物理學(xué)中最權(quán)威的期刊“物理評(píng)論通信（PhysicalReviewLetters）”來(lái)說(shuō)吧，在蓋姆等的得獎(jiǎng)工作發(fā)表以前，只有過(guò)21篇關(guān)于石墨烯的文章。而到2010年10月諾貝爾獎(jiǎng)宣布時(shí)，有關(guān)文章已有1476篇，即使在諾獎(jiǎng)宣布前，諾奧肖洛夫論文的引用率已經(jīng)在整個(gè)物理界名列前茅了?？梢娺@個(gè)工作開創(chuàng)了一個(gè)新領(lǐng)域，而且迅速得到了高度的重視。所以說(shuō)這個(gè)石墨烯工作被諾獎(jiǎng)“青眼有加”，應(yīng)該說(shuō)是當(dāng)之無(wú)愧的。

石墨烯“聲名鵲起”絕不是偶然的，而是因?yàn)樗拇_是一種非常神奇的材料。從理論上說(shuō)，二維的電子系統(tǒng)有很多獨(dú)特的性質(zhì)，其中的量子霍爾效應(yīng)的研究已得過(guò)兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。多年來(lái)人們一直在為二維電子系統(tǒng)尋找合適的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。而石墨烯是第一個(gè)真正的二維系統(tǒng)。它的晶格非常規(guī)則，所以是良好的實(shí)驗(yàn)材料，甚至在常溫下就能顯示許多有趣的量子現(xiàn)象。石墨烯研究中發(fā)展的制作技術(shù)，也讓我們得到了其他的二維晶格材料。

更重要的是，由于其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，石墨烯中的電子的等效質(zhì)量是零。這意味著，這些電子（嚴(yán)格說(shuō)是等效載流子）像光子一樣遵從相對(duì)論規(guī)律，雖然其運(yùn)動(dòng)速度只有光速的幾百分之一。例如，它們有著類似“偏振”的物理參數(shù)。所以石墨烯還是個(gè)觀察和驗(yàn)證量子相對(duì)論的平臺(tái)。

從應(yīng)用上來(lái)說(shuō)，石墨烯是一種非常有吸引力的電子材料。由于它只有一層原子，它的電子密度和導(dǎo)電性很容易被外加電壓控制。而且它的晶格近乎完美，所以電子運(yùn)動(dòng)速度極快。目前石墨烯做成的三極管已經(jīng)接近了一萬(wàn)億赫茲的頻率，比目前普通計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘頻率高出幾百倍。這個(gè)頻率已經(jīng)與遠(yuǎn)紅外接軌，消除了電子頻率與光學(xué)頻率間的鴻溝。石墨烯也具備獨(dú)特的光學(xué)性能，可能為顯示屏和太陽(yáng)能電池帶來(lái)新的技術(shù)選項(xiàng)。

我們都知道“摩爾定律”，預(yù)言半導(dǎo)體器件的尺寸會(huì)越來(lái)越小。但當(dāng)器件尺寸小到幾百，幾十個(gè)原子的尺度時(shí)，其材料已經(jīng)不是原來(lái)意義上的晶體了，其電子性能也不再相同。所以，人們通常預(yù)言，摩爾定律將面臨終結(jié)。然而，石墨烯的原子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，即使只有一個(gè)六邊形也能保持穩(wěn)定。所以石墨烯有希望做成真正的納米元件，甚至單電子的三極管?？s小元件尺寸意味著在同樣大小的芯片上可以制造更多元件，從而增加芯片的復(fù)雜度和降低成本。更重要的是，減少元件尺寸還能提高工作速度和降低功耗。所以石墨烯很可能在未來(lái)的電子產(chǎn)品中發(fā)揮重要作用。

在化學(xué)上，超薄的石墨烯有著無(wú)以倫比的表面積，所以活性很高。它可以取代目前石墨的一些應(yīng)用，提供更卓越的性能。它還有希望作為儲(chǔ)存氫氣的材料而在未來(lái)的能源技術(shù)中大展身手呢。石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度和韌性也非常驚人，比鋼鐵強(qiáng)得多。所以用它做成的復(fù)合材料也很有前途。

除了研究工作的重要性外，2010年物理獎(jiǎng)還是第一次頒獎(jiǎng)給一個(gè)“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)（IgNobelPrize）”的得獎(jiǎng)?wù)摺Ｔ瓉?lái)，蓋姆實(shí)驗(yàn)室有個(gè)“星期五晚間項(xiàng)目”的傳統(tǒng)，就是用十分之一的時(shí)間做些有趣但不一定有結(jié)果，或結(jié)果不一定重要的工作。有一次他把青蛙放在強(qiáng)磁場(chǎng)里懸浮起來(lái)，演示抗磁效應(yīng)。這個(gè)好玩的實(shí)驗(yàn)不僅為他贏得了2000年的搞笑諾貝爾獎(jiǎng)，而且還被別人用作課堂演示呢。而石墨烯的工作，不僅出自同一個(gè)人，甚至也出自“星期五晚間項(xiàng)目”這個(gè)科研形式！

說(shuō)起來(lái)，石墨烯的發(fā)明還很有偶然性。也許出于于心血來(lái)潮，他們請(qǐng)一個(gè)研究生去試試能否用機(jī)械方式從石墨中分離出單層原子膜，結(jié)果失敗了。碰巧，組里有個(gè)人知道用膠帶清理石墨表面的方法：膠帶能在石墨上粘走薄薄一層材料。于是他們想，如果用膠帶反復(fù)分離這層材料，不是能越來(lái)越薄，最后得到只有一層原子嗎？當(dāng)然，這是個(gè)隨機(jī)的操作，其結(jié)果肯定是一堆厚薄不等的碎片，而單層的石墨烯就藏身其中。

然而問(wèn)題來(lái)了：怎樣找到這單層的產(chǎn)物呢？在這樣的尺度，唯一測(cè)量厚度的方法是原子力顯微鏡（AFM）。這種顯微鏡用一個(gè)具有原子尺度尖端的探針在樣品表面掃描，而與樣品保持恒定的微小距離。這樣探針的移動(dòng)就描繪出了材料的厚度曲線。但是因?yàn)槭蔷艿臋C(jī)械掃描，這種成像方法既慢，視野也小。要“大海撈針”式地尋找石墨烯，它是不能勝任的。這就需要其它顯微技術(shù)來(lái)配合。首先，他們使用光學(xué)顯微鏡。極薄的石墨碎片是透明的，普通情況下看不見。但是把碎片放在覆有一層二氧化硅的硅片襯底上時(shí)，那些薄膜會(huì)影響光的干涉而改變像的顏色。所以光學(xué)顯微鏡就能觀察到這些薄膜。當(dāng)然，這個(gè)方法只能觀察到較厚的薄膜，非常薄的，只有一層或幾層原子的還是看不到。這就需要另一種顯微鏡：掃描電子顯微鏡（SEM）。這種電鏡能看到各種厚度的薄膜，但不能精確測(cè)量薄膜的厚度。將這兩種顯微鏡的影像相互印證，凡是光學(xué)顯微鏡看不到而電子顯微鏡能看到的，就是非常薄的膜。再用原子力顯微鏡觀察這些區(qū)域，就能找到單層的石墨烯了?？梢?，這個(gè)尋找過(guò)程需要三種顯微鏡的“聯(lián)合作業(yè)”。而這個(gè)研究室恰恰具備了這個(gè)聯(lián)合作業(yè)的條件。更幸運(yùn)的是，事后才知道，他們使用的硅襯底恰巧有著厚度合適的二氧化硅。如果厚度改變一點(diǎn)，就看不到那些石墨碎片了。

但是要得諾貝爾獎(jiǎng)，光靠運(yùn)氣還不夠。做出了石墨烯，要引起科學(xué)界的興趣也很不容易，因?yàn)檫@本來(lái)不是個(gè)熱門課題。果然，他們的原始論文曾兩次被《自然》雜志退稿。但是作者們沒有放棄。在短短一年多時(shí)間，他們發(fā)表了一系列有趣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了石墨烯是一個(gè)非常有前途的研究領(lǐng)域。這才吸引了成千上萬(wàn)的物理學(xué)家放下手頭的課題轉(zhuǎn)來(lái)研究石墨烯，帶來(lái)了這個(gè)領(lǐng)域的飛速成長(zhǎng)。

我們常說(shuō)，成功需要“天時(shí)，地利，人和”。對(duì)于石墨烯的發(fā)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，“天時(shí)”是很不利的。雖然人們?cè)缭诶碚撋项A(yù)言了石墨烯的存在和種種性質(zhì)，但一直沒有人成功制成石墨烯。甚至還有熱力學(xué)理論預(yù)言，二維的晶體結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的。所以當(dāng)時(shí)世界上只有個(gè)別的研究小組在關(guān)注這個(gè)課題。假如蓋姆小組為石墨烯研究申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)，幾乎肯定會(huì)被駁回。而他們的成功來(lái)自“地利”：他們實(shí)驗(yàn)室恰巧具備了制作和檢測(cè)的設(shè)備和技術(shù)。而更重要的是“人和”：他們的研究者有著開放的頭腦和執(zhí)著的熱情！這個(gè)例子也證明，好的研究不一定需要大筆經(jīng)費(fèi)和龐大的團(tuán)隊(duì)?！盁o(wú)心插柳柳成蔭”的模式即使在成熟的物理科學(xué)領(lǐng)域也沒有過(guò)時(shí)。在企業(yè)界，有一種80-20的研發(fā)模式，允許員工用20%的時(shí)間從事自己感興趣的任何項(xiàng)目。最著名的成功例子就是谷歌了。蓋姆實(shí)驗(yàn)室的“星期五晚上”傳統(tǒng)也是類似的思路。

所以，2010年的諾貝爾物理獎(jiǎng)不僅表彰了一個(gè)具有重大意義的科研成果，而且表彰了一種獨(dú)具一格的科研方式。我相信，這個(gè)獎(jiǎng)會(huì)在諾貝爾的歷史上留下獨(dú)特的印記。