21歲博士生曹原：令世界頂級科學家集體打call

王玉琴

2018年3月5日，一個重磅消息瞬間引爆全球，讓全世界學者都望塵莫及的《自然》雜志網站，竟然一天之內連續刊登兩篇中國留學生曹原寫的“石墨烯超導”論文。令人震驚的是，這個滿臉稚氣的21歲博士生，破解了困擾物理學界107年的世界難題，將引發全球新材料革命！其研究成果可應用于醫療設施、電網設備、電子產品等生活設施中，更可以在超級計算機、超級高鐵等前沿科技中大展身手。如今，他已擁有了百萬粉絲，被網友譽為“科學大神”的他，是怎樣“煉”成的？

智商超群，從小就不凡

曹原1996年出生于四川成都一個知識分子家庭，3歲隨父母遷入深圳。他從小就是大人口中“別人家的孩子”：小學是在深圳景秀小學念的。往往老師剛說出題目，余音未消，他就喊出答案。“我那時經常接嘴、插嘴。”

自小受益于“超常教育”的他智商很高，小學畢業后，曹原僅用2年時間就讀完了初中和高中的全部課程。2010年，14歲的他以高考理科669分的成績，考入聲名赫赫的中國科學技術大學少年班學院，并入選“嚴濟慈物理英才班”。天才代出的中科大少年班競爭激烈，曹原在其中卻如魚得水。

有同校的知乎網友說，經常在各大教授的辦公室看到胸前掛著鑰匙的曹原一臉認真地請教問題。最有趣的是，中科大教計算物理課的丁澤軍教授，因教學嚴謹、苛刻，人稱“丁老怪”。但這位“老怪”卻對曹原贊賞有加，說曹原是“很聰明的家伙”。雖然在實驗選題、方向與寫作上丁教授可以給他指導，但在技術細節上無法手把手教他。曹原是如此的令人放心：教授只要把題目交給他，他一定會想辦法做出來！如果計算遇到困難，他會主動嘗試其他的軟件方法，以至于丁教授每年上計算機物理課緒論時，都會提到曹原。

曹原不僅性格活潑開朗，而且愛好廣泛，也喜歡文學、運動、計算機，朋友圈經常發天文觀測的照片。才氣過人的天才往往恃才傲物，但曹原卻非常低調沉穩，情商很高，在班里頗有人緣。

2012年，曹原被選為首批交流生赴密歇根大學學習；次年6月，又被牛津大學選中，受邀做兩個月的科研實踐。2014年，18歲的曹原榮獲中科大本科生最高榮譽獎——郭沫若獎學金。

2016年，曹原在進行物理學課題研究時，還在美國物理學會主辦的高水平學術期刊PRL上發表了一篇理論文章，所用的時間很短，也就一個寒假就做完了，而且在業內深受好評，當時不少人就覺得他太厲害了！很快，這個大男孩在科大就成了“傳說級的人物”。

石破天驚，發現讓石墨烯實現“超導”奧秘

2016年從中科大畢業后，曹原在牛津大學實踐時的導師陳宇林教授，推薦他前往美國麻省理工學院MIT電氣工程與計算機科學系，攻讀博士學位，師從著名物理學家Pablo Jarillo-Herrero。

在麻省理工學院求學期間，在教授指導下，曹原開始重點研究關于石墨烯材料“超導電性”的尖端課題。曹原知道，1911年，荷蘭物理學家海克等人發現當汞被冷卻至接近-273℃時，電子可以通行無“阻”。他們將這個“零電阻狀態”稱為“超導電性”。這也是人類第一次發現超導體的存在，昂內斯因此獲得了諾貝爾獎。

曹原說，具有超導電性的材料有很強的應用價值，因為一般材料在導電過程中會消耗大量能量。以傳輸電纜為例，從發電站到用戶的傳送過程中，消耗損失的能量越小，經濟效益越大。超導體的出現，使傳輸過程中的能量損耗幾乎為零。

但悲劇的是，超導體要在接近絕對零度（-273℃）的環境下，才能顯現其近乎0損耗輸電的能力，而這其中的材料，冷卻成本卻高得讓人絕望！“如果材料能在室溫下實現超導，就能避開昂貴的冷卻費，徹底改變能量傳輸、醫療掃描儀和運輸等相關領域的現狀。”但這種合適的“低成本超導材料”材料極難找，30多年來，全世界的科學家們都對之一籌莫展。雖然銅氧化物一直是物理學家關注的焦點，但其結構往往難以調整，所以很難實現超導。

后來，曹原師徒就產生了一個非常大膽的想法：用石墨烯代替銅氧化物實現超導！“石墨烯是當前最薄、最堅硬的納米材料，簡單來說，它是從石墨中剝離出來的由一層碳原子構成的二維晶體，其神奇讓人難以想象。”

曹原解釋說，它不僅結構非常穩定，而且導電性能更強大。石墨烯的電子運行速度能夠達到1000千米/秒，遠遠超過電子在一般導體中的運動速度。因此，有望利用石墨烯制造下一代超高頻電子器件，未來計算機處理器的運行速度可以比現在高幾十倍，甚至上百倍。

這項特性，也決定了石墨烯跟電池是天生絕配，在電能儲存領域，石墨烯是耀眼的“明星”。2016年的一場交易博覽會上，一款石墨烯充電寶吸引不少人眼球，只需10分鐘就可充滿6000mAh的電量。“我們可以大膽設想，未來有一天，電動汽車廣泛使用石墨烯電池，只需幾分鐘就能把電充滿，比去加油站加油還方便！”

曹原說，以前人們知道銀是最好的導熱材料，現在研究發現，石墨烯的導熱效能是銀的10倍。優異的導熱性可以滿足LED照明、計算機、衛星電路、手持終端等大功率高集成系統的散熱需求。

石墨烯還是自然界中最為堅硬的物質，其硬度超過金剛石。曹原說：“它的斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。假如我們日常使用的塑料袋是石墨烯材質，那么它就能承受大約兩噸重的物品。這么堅硬的物質，卻是超薄超輕、近乎透明的。它的透光率高達97.7%。厚度只有大約0.3納米，相當于一張A4紙厚度的十萬分之一。一塊厚1毫米的石墨，就能包含大約300萬層石墨烯。如果你用鉛筆在紙上輕輕劃一下，在紙上留下的痕跡就包含了許多層石墨烯。而且，這么薄的材料，致密性卻很高，最小的氣體原子也無法穿透。”

因為石墨烯有各種奇特的性質，比如高電導率、透光率、機械強度、穩定性等等，都已不同程度地得到了應用。使其成為當前科技界的爆款“網紅”，但令科學家們頭疼的是，唯獨其“超導性”成了世界級難題，遲遲無法攻破。

令人驚訝的是，經過一年多的潛心研究，曹原團隊發現了一個“天大的秘密”：通過將兩層自然狀態下的二維石墨烯材料相堆疊，并控制兩層間的扭曲角度，即可構建成為性能出色的零電阻超導體。這一研究中最為關鍵之處，在于雙層石墨烯材料的扭曲角度。當扭曲角度達到被稱為“魔角”的1.1°時，石墨烯層中的電子能帶結構不再對稱，超導性質也隨之顯現。可以說，這是一個石破天驚的發現！

室溫超導體無疑給未來發展帶來了新的憧憬。其不僅可應用于醫療設施、電網設備、電子產品等生活設施中，更在超級計算機、超級高鐵等前沿科技中大展身手。毫不夸張地說，這項研究打開了非常規超導體研究的大門，或將引發一場超導材料領域的新革命。

在國際頂級期刊《自然》連刊兩文，論文引爆全球

2018年3月5日，國際頂尖期刊《自然》以背靠背的長文形式，在網站刊登了麻省理工學院Jarillo-Herrero教授課題組石墨烯超導的重大發現。此外，網站還專門配上了賓夕法尼亞大學教授Eugene J.Mele，對這一重大突破的評述。

令人震驚的是，這兩篇重磅論文的第一作者都是21歲的大三博士生曹原。他也有幸成為，在《自然》上以第一作者身份發表論文的最年輕中國學者。能在該雜志上發論文到底有多厲害？原來，《自然》與《科學》《細胞》并稱世界三大頂級科學期刊。能夠在三大期刊上發文，是無數科學家孜孜以求的目標，也是評選諾貝爾獎、競選院士、展示大學和科研機構研究實力的重要依據。

不過，單是《自然》高達90%的斃稿率，就足以讓人望而生畏。從全球范圍內來看，有能力在三大期刊發表文章的，要么是世界頂級實驗室，要么是世界頂級團隊，要么兩者兼具。曹原知道，這些頂級隊伍的專家教授，一邊爭分奪秒地做實驗，一邊密切關注競爭對手的動向，看三大期刊發表了哪些相關領域的論文；如果別人發表出來相關成果，自己的研究差不多就前功盡棄了！曾在《科學》發表論文、后被普林斯頓大學聘為終身教授的中國科學家顏寧，所說的叫“向死而生”，描述的就是這種狀況。

作為我國結構生物學領軍人物的施一公，第一次在《自然》上發表論文是在1999年，當時他32歲；被稱為我國“量子之父”的潘建偉院士，27歲在《自然》上發表了第一篇論文；曹原在21歲的年紀，就作為第一作者，一次性發表了兩篇，堪稱“神之操作”。而且，《自然》等不及排版就先行在網站上刊出，并配以第三篇文章做評述，可見其重視程度。

曹原關于石墨烯超導電性的研究成果發表后，震驚了整個世界物理學界，不少業界的大神都自發為曹原打call。斯坦福大學物理學家、諾貝爾獎獲得者Robert Laughlin說：“其研究成果很可能成為改變全世界的一個重大課題。我們可以期待在接下來的幾個月里，會有瘋狂的實驗活動來填補藍圖中缺失的部分。”

此時距離發現超導體，已過去足足107年，世界終于迎來了這個領域的重大突破，曹原團隊的發現，無疑將引發全球新材料革命。很快，臉上稚氣的曹原，擁有了百萬粉絲，被網友譽為“科學大神”。年輕，如今他已經成為名副其實的“國寶”。真應了那句話，彪悍的人生無須解釋！