諾獎得主康斯坦丁：像石墨烯一樣，溫柔而堅強

文/小小

康斯坦丁·諾沃肖洛夫：（俄羅斯、英國）著名物理學家，英國曼徹斯特大學教授，2010年諾貝爾物理學獎獲得者；他專門研究凝態物理學、介觀物理學和納米技術。對鐵磁體和超導體中的介觀現象及GaAs/AlGaAs異質結構和石墨烯中二維電子氣的電子性質有著廣泛的研究興趣。在納米制造和納米技術方面也有深厚的研究背景。領導了曼徹斯特國家石墨烯研究所的建設,并成為首位科學主任。2010年他因在二維材料石墨烯方面的開創性實驗而獲得諾貝爾物理學獎。

如果有一天，我們的手機、照相機可以彎曲、折疊，再也不覺得那是放在自己口袋里硬邦邦的，或是挎在肩膀上讓人負重前行的東西。

如果有一天，我們的新能源汽車再也不用焦慮每天晚上要充電以保證第二天上班的需要，從此擺脫沒電了怎么辦的尷尬。

如果有一天，我們可以把電子設備穿戴在身上，藥物不用從口入而是直接被運送到身體的傷病部位，生活在世界上欠發達地區的人可以喝到更潔凈的水，我們的生命將得到更多保障，也會變得越來越舒適。

如果這一天，它真的存在，那就是因為它的出現。

很薄很輕，很堅強

在神奇的自然界，有一種常見的元素，以多種形式廣泛存在于大氣和地殼之中。它很早就被人認識和利用，其一系列化合物——有機物更是生命的根本。比如，它是生鐵、熟鐵和鋼的成分之一，能在化學上自我結合而形成大量化合物，同時在生物體內大多數分子都含有這種元素。

這種元素就叫碳。

碳元素有一種存在形態是石墨，是一種最軟的礦物，其最廣泛的用途是制造鉛筆芯和潤滑劑。

說到石墨，我們可能又會想到現在特別流行的一種新材料——石墨烯。

那么，石墨和石墨烯之間又是什么關系呢？

簡單來說，石墨是由石墨烯一層層疊起來的，比如厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。

這種薄到讓人難以想象和描述的材料，到底是怎么發現的呢？

2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）發現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。

2009年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發現了整數量子霍爾效應及常溫條件下的量子霍爾效應，他們因此獲得了2010年度諾貝爾物理學獎。在發現石墨烯以前，大多數物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發現立即震撼了凝聚體物理學界。

石墨烯比人的頭發絲薄100萬倍，比鋼還強200倍，是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，被稱為“黑金”。

一直嘗試去做一些新的事情

2019年1月，在旅英華人高新技術商業協會會長張其軍博士的幫助下，我采訪了石墨烯發現者之一、2010年度諾貝爾物理學獎獲得者康斯坦丁·諾沃肖洛夫。

康斯坦丁出生在俄羅斯烏拉爾山脈附近的一座小城，母親至今在那里生活。他在莫斯科上的大學，考上研究生后轉到荷蘭，最后又隨導師來到英國曼徹斯特大學。在朋友的眼中，他是一個“工作狂”，總是很晚離開實驗室。我想，正是這種專注專一的精神和態度，使他的研究取得重大成果。

“是的，我有豐富的物理知識和納米技術的知識。但即使你非常了解物理學，那也不能保證你就能有所創新突破。是什么導致了一個新創意的出現？這是一個很好的問題。但是我無法給出一個方法告訴你怎么去獲得創新的想法。我唯一知道的是，你需要努力工作，一直嘗試去做一些新的事情，這樣才能發現一些新的東西。”康斯坦丁說。

作為原國家外國專家局海外專家組織英國國際人才與創新發展服務中心的負責人，張其軍多次組織包括康斯坦丁在內的外國專家參加國內的科技交流活動。通過張其軍博士，我了解到，康斯坦丁的夫人也是科研工作者，他們是在實驗室里萌生的愛情。夫人艾琳娜目前在曼徹斯特一家生物技術公司擔任項目主管。他們有一對雙胞胎女兒維克多利亞和索菲亞。

康斯坦丁和艾琳娜作為科學伉儷，更加重視對孩子的教育，對孩子科學精神的培養。他認為給孩子提供一定程度的自由是很重要的。把孩子推向一個他們不想去的方向是完全適得其反的事情。因此，確定孩子想要接受教育的方向非常重要，然后讓他們朝著這個方向工作和學習。選擇哪一個并不重要，只要是成功的選擇。

科學對于大眾來說，是深奧的。但是如果你真的喜歡并且投入進去，你也許就會產生和康斯坦丁一樣的感受。“我認為科學本身就很令人興奮。一旦你開始練習，嘗試動手，它就會令人非常興奮。用一些基本的技巧來解決問題并預測接下來會發生什么，這種能力也很有趣。所以只要我們不只是驅使科學，只要我們展示這些知識在現實生活中的意義。我想任何孩子都會對科學感興趣。”

希望支持科學和技術一樣多

康斯坦丁教授全家與張其軍博士全家合影

2019年1月，張其軍博士陪同康斯坦丁來到中國，參加科學技術部組織的外國專家座談會。康斯坦丁不僅在座談會上作了精彩發言，同時受到了李克強總理的親切接見。他在發言中特別講到材料在人類生產生活中的重要作用。他說，材料一直是技術的決定因素，我們甚至把人類歷史的不同時期用當時的主流材料命名，比如石器時代、青銅時代、鋼鐵時代。

的確，新技術促進新材料產生，新材料推動新技術發展。材料改變了我們的生活，我們的生活越來越依賴新材料。康斯坦丁認為，未來會出現更多的設計材料或者說是按需生產的材料，我們可以把它們稱作“智能材料”。這些智能材料可以為我們的制造帶來更多的機會，智能材料也可以適應環境的變化，能夠在環境允許的條件下帶來最高、最理想的效用。他說：“想象一下如果一輛汽車的擋風玻璃能夠從震動、照明甚至雨水當中吸取能量、自我加熱，從而消除擋風玻璃上的水霧……”人類的生活將會多么高效和輕便。

在張其軍博士的幫助下，康斯坦丁目前正在中國尋找合作方，因為他對中國先進材料的發展前景充滿期待。他說，中國的制造業無論是規模還是復雜程度，都發展得非常迅速，而且有越來越多的先進技術在制造業中得到運用。先進技術和先進材料往往是同步發展的，中國也開發和運用了很多先進的材料。他認為，中國先進材料發展快速的原因，一方面是對于大規模制造業的投入，另一方面是對創新企業的投入，但是需要在投入的效率上進一步提升。而且，中國很多材料的發展并不是內生的，中國的研究人員或者工程人員更多的是在跟跑，缺少原創性。很多投入都投在了研究機構或者公司，對大學的投入不夠，導致很多科研人員不太愿意花時間和精力用在基礎性研究上。

“當然，我認為中國政府做得非常好。政府為創造新業務和新動能提供了很多激勵措施。讓他們不害怕創造新想法和嘗試市場之外的新產品，并且政府在推廣更多高科技產品方面非常努力，所以中國在科學研究方面取得了很大的進步。但是，如果在支持科學和技術上一樣重視，那么它將會更加成功。”

石墨烯會走多遠？

被稱為“黑金”的石墨烯，是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，也是未來最有前景的先進材料之一。近年來，我國政府通過出臺一系列的政策、相關標準等，支持石墨烯行業的發展。按照產業發展路線圖，到2020年，中國石墨烯產業的目標是形成百億元產業規模，2025年整體產業規模突破千億元。

由于石墨烯具有極好的耐高溫性，導電、導熱性，潤滑性，化學穩定性，可塑性，抗熱震性等特性，所以它廣泛地應用在我們的生產生活中。比如，目前已應用于透明導電電極、觸控屏、太陽能電池、鋰電池、超級電容器、導熱薄膜、海水淡化、環境污染治理、醫療健康等領域。

康斯坦丁教授和女兒維克多利亞慶祝中國新年時作畫

對此，作為科學家的康斯坦丁對未來的期許比我們要更遠、更深。他說：“石墨烯有潛力在許多不同領域得到不同應用。我們通常并不單獨討論石墨烯，我們談論的是二維家族，其中一種是原子材料，石墨烯也來自這一家族。我們把它們放在一起討論，這就增加了它們應用的范圍甚至領域。”他認為石墨烯研究和石墨烯行業非常強大，它不僅得到了很好的利用，也發展得非常快。但是除了世界知名的好公司外，有一些公司的產品質量還需要提升。所以他期待并堅信，高科技公司做高質量產品的比例將來會增加。

汽車輕量化是節能減排的一個重要方向。研究表明，在不降低汽車剛性和碰撞性能的前提下，重量減輕10%，油耗將相應減少6%—8%。石墨烯聚合材料電池的成本將比鋰電池低77%，重量也僅為傳統電池的一半。同時，如果在摩擦副表面吸附上一層石墨烯保護膜，還能起到高效的防磨抗磨的作用。2017年，西班牙Graphenano公司同科爾瓦多大學合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。2018年，華為發布了全球首款應用石墨烯薄膜散熱的手機。可見，石墨烯被廣泛應用于新能源、電子、航空航天、復合材料等多個領域，被譽為“顛覆21世紀的新材料”。甚至“很難預測它會被用在哪，因為這不僅取決于材料本身，而且取決于技術，取決于經濟”，康斯坦丁表示。“石墨烯在許多領域得到了應用，這表明石墨烯的利用率在提高。但是，石墨烯會走多遠？我不知道。但令人鼓舞的是，目前已經看到了它的應用。”康斯坦丁對石墨烯前景的態度，表達了作為科學家一貫的積極而嚴謹的精神。

康斯坦丁教授全家在桂林游玩

在中國文化中，存在著一剛一柔兩種文化現象。我以為，剛就是柔，柔就是剛。至剛則柔，至柔則剛。石墨烯，讓我想到了中國文化中的剛柔哲學。你看它，是人的頭發絲厚度的100萬倍之一，卻是鋼的硬度的200倍。我驚嘆，世間還有這樣的物質，更重要的是我們發現了它，并且為人類社會發展所用。

我為這一切而快樂：城市正被沖洗，

那些房頂，昨日還蒙蔽塵埃，

今天，卻似光潔的絲綢般發亮，

閃爍白銀的縷縷光芒。

這是俄羅斯詩人拉基斯拉夫·霍達謝維奇的作品《雨水》中的幾句詩行。

康斯坦丁來自俄羅斯，他一定也是在俄羅斯的詩歌中長大的，但是他的科學成就屬于全人類。科技與詩歌一樣，應該在世界上的每個角落像“光潔的絲綢般發亮”，更要像石墨烯一樣剛柔相濟，溫柔而堅強，給世界帶去“閃爍白銀的縷縷光芒”。（感謝旅英華人高新技術商業協會）