“逗比博士”的逆袭!

作者: zcl

来源: SME

发布日期: 2017-03-26 10:21:08

安德烈·海姆,一个从科研渣蜕变为诺贝尔物理学奖得主的科学家,以其不拘一格的科研方法和创新思维,发现了石墨烯这一具有革命性潜力的新材料。他的故事充满了偶然与必然,展示了科学探索中好奇心和创新的重要性。

石墨烯,可能是近两年存在感最高、刷屏次数最多的一种新材料。它不过是由单层碳原子组成的特殊薄膜,但却在强度、导电性、导热性、光学性能上超越了几乎所有的已知材料。搭载锂电池的电动车目前最快也要一个多小时才能充满,若是用上石墨烯电池只需要短短几秒钟。还有石墨烯复合材料、石墨烯芯片、石墨烯显示屏等等,每一种都将颠覆我们的认知。石墨烯因此被称作“材料之王”,也是21世纪最有价值的发现之一。

自被发现以来,石墨烯的前景一片大好,短短2年市场规模就翻了一倍,极有可能掀起一股产业大革命。

然而发现石墨烯的天才33岁时H因子只有1(有一篇论文被引用了1次以上),除了苦逼之外他剩下就只有逗逼。他先是违规把水倒进能产生超强磁场的仪器里,发现了让物体悬浮的方法,一举拿下了搞笑诺贝尔奖。后来他又研究石墨薄膜,别人都在用高精度抛光机研磨,费心费力都做不出合格的样品。

他却从别人的垃圾桶里捡回沾有石墨的废弃胶带,反复观察研究,竟然用胶布造出了终极材料石墨烯。他靠石墨烯再次登上领奖台,成为了2010年的诺贝尔物理学奖得主。从发了5篇论文只有2次引用的科研渣,蜕变成有史以来第一个“双料诺奖”得主。

安德烈·海姆的一生如果拍成电影大概会是一部狗血励志喜剧。父母都是德裔工程师,他生于苏联,拿到了荷兰国籍,又在英国和丹麦工作。这般离奇复杂的身世不仅给他的学习生涯带来了很大的麻烦。他拿下诺奖之后,每个国家都想沾他的光,从这点上看他可能是最有争议的一位诺奖得主。

安德烈16岁时,安德烈中学毕业,所有科目几乎都拿到了满分,因此获得了学校的颁发的金牌。

那时候他是全校学生嫉妒的对象,谁叫人家拥有德国贵族血统呢,连他奶奶都是搞科研的。父母看他成绩优秀建议他报考苏联最好的大学,也就是在莫斯科的那几所名牌学校。安德烈的理科都不错,尤其是数学,但考虑到就业的问题,他最终选择报考莫斯科工程物理研究院的物理系。可是入学考试异常的困难,就连最擅长的数学安德烈也仅仅拿到了一个及格分。接连考了两年都落榜了,他感觉非常挫败,甚至一度怀疑自己是不是报了假学校。

悲痛中他注意到和他一个考场的人成绩全都很差,能及格都算是厉害的了。但奇怪的是,这些难友们要么是犹太人要么是顶着明显的外国名字,别的考场则是清一色苏联本地人。很明显,学校有特殊的种族政策,本地人和外裔做的是两套难度不同的题目。大概是因为学校担心这些外裔参与到机密项目,将来会离开苏维埃的怀抱。知道真相后安德烈有些绝望,但是他还没有放弃,反正都已经落榜了,不如去更好的学校碰碰运气吧。

结果,安德烈竟然轻松地通过了入学考试,反而考上了更著名的莫斯科物理技术学院。一下子高了两个档次,安德烈这经历估计也没谁了。

在莫斯科物理技术学院,安德烈安安稳稳充分地展示着贵族后裔的聪明才智。一路读到了博士,虽说成绩一直都不错,但也没有什么突出的贡献,还拿到一个烂课题。安德烈的研究方向是“通过螺旋共振方法研究金属中传输松弛的机制”,相关的研究早在十年前就已经没落了。

他为了完成学位,发表了5篇论文,这些文章一共只被引用了两次,还都是安德烈自己引用的。年近30,没有任何能拿得出的成就,安德烈就像是一个在混日子的博士。毕业后顺利的在苏联科学院下属的一家研究所找到了一份临时工,继续混着。

一次偶然的机会,安德烈走狗屎运获得了一次到英国皇家学会访问半年的机会。结果他来到汉诺丁大学,在实验室里捡起了“垃圾”,专门研究别人废弃了几年的样品。

捡垃圾的经历让安德烈感到十分开心,加上那时苏联动荡的政局,他决定跟社会主义告别了。之后安德烈在荷兰找到了一份副教授的工作,他喜出望外,迫不及待地开始作死。当时他们学校最大的实验优势就是能制造出20特斯拉的超强磁场。目前人类能制造的最强磁场约为100特斯拉,是地球磁场的200万倍,在当时20特斯拉的磁场在欧洲算是数一数二的强磁场了。但是,这个庞然大物十分费电,每次的运行时间撑死也就几个小时。

所以安德烈总是会抓住机会好好地折腾一番,这次,他往磁铁里倒了些水!

安德烈的行为已经不能用违规形容了,简直就是搞事,这么大个用电器倒水进去,有点什么差池他可能要重新拥抱社会主义了。但结果非常意外,这些水非但没有流得到处都是,反而全部聚集在中间的一处。他和另一个访问学者就这样玩了一个多小时,时不时用木棍搅着玩,还加大了磁场强度,最后在强磁场下水竟然缓缓浮空了!

安德烈赶忙叫来其他同事围观这个大发现,还不忘辩解一下自己可能是麒麟臂发作了才往里面倒水的。其实安德烈明白,水在磁场中会产生逆磁效应,自身产生一个与外磁场相反的微弱磁场。但没想到水这么弱的逆磁效应都能抵抗重力,于是他迫不及待地想验证其他东西。这次,他没有再做倒水这么危险的事了,而是扔了一只青蛙进去。那一刻,这只青蛙体验到了前所未有的奇妙感觉,飘飘然不可名状。

安德烈随着悬浮青蛙的走红而渐渐有了点名气。很快就有评委会打电话找到安德烈,称要颁奖给他,吓了他一大跳。后来才发现只是搞笑诺贝尔奖,结果他竟更加开心,因为再没有其他奖比这个更适合他的气质了。安德烈出席搞笑诺奖颁奖仪式。既然瞎玩也能搞出惊艳的成果,那为何不抽一点时间出来专门瞎玩呢?于是他和他的博士生开始尝试花一点时间尝试那些奇奇怪怪的课题。

当时正好碰上了一个大新闻,有科学家用电子显微镜观察壁虎的脚掌终于揭开了爬墙之谜。原来壁虎爬墙并不是靠脚掌的吸力,而是分子间的作用力。壁虎脚掌上长有无数毛状物体,每根毛上又拥有上千根极细的纳米级绒毛。这些数量众多的绒毛在任何地形都可以保证足够的接触面积,靠着范德华力抓住墙壁。范德华力是一种分子与分子间的弱相互作用力,同种物质分子间与不同物质的分子间都存在范德华力。

安德烈从壁虎的脚掌得到灵感,研制了一种仿生胶带,以超微小的毛状结构产生黏性。理论上可以在任何表面上使用,且重复使用也不会降低黏性。不过因为材料的性能关系,并没有壁虎的脚掌那么坚挺,多次使用后黏性会降低。但也足以将蜘蛛侠送上天花板搞个大新闻了。安德烈自从玩起了胶带之后,灵感源源不断。这次他打算研究石墨薄膜,买了一块高定向裂解石墨,让一个新来的中国博士生姜达将它制成薄膜。

高定向裂解石墨是一种人造石墨,与天然石墨相比更容易逐层裂解,每层原子之间靠较弱的范德华力吸引。为了方便他操作,还允许姜达使用一台先进的高精度抛光机,让他用最传统的方法把石墨研磨成只有几十层薄膜。三周后,姜达拿着样品来见安德烈,称他已经尽力磨到了极限厚度了。结果安德烈用显微镜观察样品,发现这些石墨碎片仍有10微米厚,足足有上千层。他质问姜达:“你能不能磨得再薄一些?

”姜达不料姜达说他已经用尽了原来的材料,需要另一块高定向裂解石墨,其售价要差不多2000人民币。安德烈自然是很不愉快,怒斥了他一顿,结果初来英国的博士生淡淡地说了句,翻译过来大概是:“You can you up, no can no bb.”两人不欢而散,没办法,事已至此,安德烈只好自己尝试着去做了。

当时他们实验室有个习惯,会用胶布先粘掉石墨表面的一层,去除表面的不平整,再用显微镜观察平整的表面。他随手拿起了身旁熟悉的胶带,意味深长地端详着它。别人都在自己的实验室里没日没夜地磨,可安德烈却决定去“捡垃圾”。他从别人实验室的垃圾桶里找来了一段沾有石墨的废弃胶带,把它放在显微镜底下观察。惊喜地发现这上面残留的石墨碎片竟然只有十几层厚,比用抛光机研磨出来的薄多了!

胶带上的石墨碎片。

明明每个人都在用胶布处理石墨样品,却从来没有人观察过撕掉的胶带上有什么。这些用胶布撕出来的石墨虽然离单原子层的石墨烯还有很远,但这足以让安德烈发现石墨薄膜的惊人特性。在整个实验室的努力下,安德烈得到了令人兴奋的单原子层石墨,也就是石墨烯。虽然当时对石墨烯的了解并不充分,撕胶带的方法也不能用于工业生产,仅仅是打破了学界对石墨烯不能稳定存在的错误预言。单原子层的石墨烯中,碳原子呈六边形排布。

连他们几经修改的论文,都被Nature和Science期刊以不够劲爆为由多次拒绝。当然,后来石墨烯的特性逐渐被发现:强度是钢材的百倍,常温导电导热性能称霸材料界等等,不胜枚举。也发明了很多更高效的石墨烯生产方法,除了机械剥离法之外,还有氧化还原法、碳化硅外延法等。

很快真·诺奖就自己找上门来了,但安德烈根本没想过这件事,颁奖前的那一晚,他表示自己睡得很香。

历史上第一个“双料诺奖”得主诞生了,这并不比拿上两次真诺奖简单。安德烈在诺奖颁奖典礼上。至于那个中国博士生姜达,其实很无辜,当初他没能磨出合格的石墨薄膜并不是他的错。是因为安德烈给错了他材料!误把高密度石墨当高定向裂解石墨给了他,能磨得薄就怪了。不过安德烈还是得感谢姜达,要不是他的研磨失败,可能自己不会想到用胶带的神来之笔。

纵观安德烈的学术生涯,看似随意却并不简单,他早年吃过导师烂课题的亏,深知科研不是时尚,“复古”害人不浅,激发了他大胆创新的动力。悬浮青蛙的成名让他懂得了,很多看起来荒谬毫无意义的尝试也许就是下一场革命,这也是“搞笑诺贝尔奖”一直所鼓励的。安德烈的成功故事看起来可能有些许随意和轻浮,但科学路上,童心未泯的好奇心才是最好的动力。

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