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物理學

唯物主義辯證法是關于對立統一、斗爭和運動、普遍聯系和變化發展的哲學學說，是馬克思主義理論的主要組成部分。馬克思主義認為，辯證法是關于普遍聯系的科學，其對辯證法的科學定義是：辯證法是關于自然、人類社會和思維發展最一般規律的科學。唯物主義主要有三個基本規律，對立統一規律、量變與質變規律和否定之否定規律[1]。

物理學來自于哲學，1687年英國物理學家艾薩克·牛頓創作了《自然哲學的數學原理》一書。該書從各種運動現象中探討自然力，再用力來解釋自然現象。提出了力學的三大定律和萬有引力定律，從而使經典力學成為一個完整的理論體系。直到現在，牛頓三定律仍然是描述宏觀低速系統中的正確定律。凝聚態物理是物理學的一個分支學科，是研究凝聚態物質的結構和粒子之間相互作用規律的學科，進一步研究凝聚態物質的原子之間的結構、電子態結構以及相關的各種物理性質。凝聚態物理學是當前物理學中最活躍的分支學科之一，在許多學科領域乃至最前沿的高新科學技術領域中都發揮著至關重要的作用，為發展新材料、新技術、新工藝等提供了強有力的理論支撐。唯物主義辯證法在凝聚態物理的發展過程中起到了重要的指導作用，利用唯物主義辯證法的理論來思考問題，可以更好地促進凝聚態物理相關領域的研究。

二、二維材料研究與哲學思考

(一)量變與質變規律在制備石墨烯研究中的應用。二維材料是一類新興的納米材料，是凝聚態物理比較前沿的研究領域。和三維塊體材料相比，二維材料具有獨特的物理和化學性質，所以近幾十年引起了廣大科學工作者持之以恒的研究興趣。石墨烯的發現使科學界產生了巨大波瀾，成為國內外研究的熱點。盡管二維材料的探索可以追溯到幾十年前，但是直到2004年才從實驗上制備出真正的二維納米材料——石墨烯，這標志著超薄納米材料的誕生[2]。兩位英國的科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用微機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創性實驗，在2010年共同獲得諾貝爾物理學獎[3]。石墨烯的發現向人類展示了二維物質能夠在自然界中穩定存在，從而開辟了原子厚度的二維物質研究的新時代。石墨烯的發現不僅打破了長久以來二維晶體無法在自然界中穩定存在的預言，而且由于其自身的優異性質也使得石墨烯在基礎研究和未來應用中極具潛力。石墨烯的出現是人類認識世界和改造世界的重大突破，這說明在認知世界方面人類的認知能力上升到了一個新的層次，標志著人類科學技術的發展邁向新的空間。

二維材料具有許多優于傳統三維材料的性質。以石墨烯為例，其載流子的移動速度約為200,000cm2V-1s-1，遠遠高于其它普通的半導體材料。石墨烯具有極強的熱導性能，導熱系數為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度，其楊氏模量約1,100千帕，是目前人類已知的強度最高的材料，甚至比鉆石還硬。石墨烯的比表面積可達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，也可用于能量存儲和鋰離子電池的電極材料。石墨烯的電學特性也極其特異，具有室溫量子霍爾效應。由于這些獨特的性質，石墨烯在薄膜、傳感器、超級電容器、能量存儲等方面都有廣泛應用[4]。

石墨烯的實驗制備體現了哲學中量變與質變的規律。量變是質變的必要準備，質變是量變的必然結果。量變是數量的增減，是漸進的變化。質變是一種狀態向另一種狀態的飛躍。質變始于量變，量變達到一定程度必然引起質變。量變和質變互相滲透，在量變的過程中有著部分的質變。自然界中每一件事情的發展都是一個緩慢的過程，都經歷了一系列量的積累。只有在量變積累到一定程度的時候，質變才能發生。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，撕開膠帶，薄片變得更薄。再接著重復上面的操作，最后得到只有單層原子構成的石墨，這就是石墨烯。剛開始用膠帶撕石墨片并沒有獲得單層石墨烯，只是使石墨片更薄，這便是量變。

二維材料的制備和應用體現了宏觀到微觀，微觀再到宏觀的哲學思想。人類對物質的認識可以分為兩個層次：宏觀和微觀。宏觀是指研究對象的尺寸較大，用肉眼可以看的見的物質，在宏觀的時空坐標中的下限是有限的，而上限是無限的。例如汽車、建筑、太陽、星系都屬于宏觀物質。所謂微觀，一般是肉眼無法區分的較小的物質，例如分子、原子、原子核、電子等。還有更小的基本粒子，如中子、質子、介子、夸克等。微觀時空坐標的上限一般是原子或分子，下限是無限的。二維材料的誕生是人類對生產資料在微觀分子層面改造過程中的創新產物。從石墨片剝離出單原子層的石墨烯體現了從宏觀到微觀的哲學思想，也就是“從大到小”的方式。而石墨烯的實際應用又體現了從微觀到宏觀的哲學思想，也就是“從小到大”或“從簡單到復雜”的方式[5]。

(二)對石墨烯發現和研究過程的辯證思考。辯證唯物主義的認識論認為認知過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。人類對某一事物的認識是一個復雜的過程，這種認識過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，比如知識儲備、抽象思維、創造思維、生活經驗等。石墨烯的發現，如果沒有兩位科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫的創造性思維，如果沒有關于石墨和二維材料等方面基礎知識的儲備是不會成功的。辯證唯物主義認為，現實世界中的任何事物、任何關系、任何過程都具有必然和偶然的雙重屬性[6]。必然性總是要通過大量的偶然性表現出來，沒有純粹的必然性。偶然性就是機遇，機遇產生的客觀依據在于偶然性和必然性的辯證統一。偶然以必然為基礎，必然通過偶然來實現。物理學家利用透明膠帶撕扯石墨薄片偶然發現了石墨烯。在科學發展史上，當一些研究成果公布后，相關領域的學者會感到研究并不復雜，自己可能也曾遇到過類似的現象，可惜沒有進一步研究，以至喪失了機遇。從辯證唯物主義認識論的觀點來看，這充分體現了偶然性和必然性的關系。當機遇出現時，如果能夠認識到偶然性背后隱藏著某種必然性，便會總結偶然性，繼續深入研究，進一步挖掘隱藏在背后的必然性，找出偶然和必然的內在聯系，由感性認識上升到理性認識，這樣新的發現、新的物質就誕生了。反之，如果當機遇出現時，未能意識到偶然性背后的必然性，便會與本來自己也可以完成的科學發現失之交臂。所以，在科學研究中，遇到一些新的現象要積極思考、善于歸納，能夠利用平時積累的知識挖掘其本質，找出普適規律。

辯證唯物主義的認識論認為認知還必然受到客觀條件的限制。實驗觀察是科學研究獲得科學事實的一種重要手段，歷史上許多科學成果來源于觀察實驗中。結合實驗觀察結果，在理論上給予概括和證明，總結出科學研究對象的本質和規律?？茖W觀察需要一定的設備和儀器，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、透射電鏡等實驗儀器發明后，涌現出豐碩的研究成果。客觀條件在認知自然的過程中起到了重要作用，現代科技成果的獲得離開先進的儀器這一客觀條件是很難完成的。

(三)密度泛函理論的應用充實了辯證唯物主義的認識論和方法論。量子力學中的薛定諤方程在處理單電子問題時非常成功，但是處理多電子體系就非常困難。而實際問題中大多為多粒子體系，如果直接處理薛定諤方程，即使采用現代物理學和量子化學最先進的方法也無法嚴格地處理多粒子體系的量子態。因此在具體研究中必須采用某些合理的近似和簡化來處理。將復雜的多電子系統簡化為多個單電子體系，再把單電子體系疊加起來，從而達到多電子體系的結果。密度泛函理論就是一種將多體問題轉化為單體問題，研究多粒子體系電子結構的量子力學方法，在原子、分子和固體的電子結構研究中的應用取得了顯著成果。

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，將多體相互作用簡化為計算單粒子有效勢的問題。所以電子密度的地位和作用不再僅是一個可觀測量，而是作為一個基本物理量來出現。通過對體系歸納和近似，可以電子密度來獲得其他所有可觀測量。這不僅減少了計算量，同時簡化的模型也使物理理論更容易被理解。從哲學上來看，歸納與演繹作為一個完整的思維過程，相互依存，彼此間有著辯證關系。歸納是從個別到一般，演繹為歸納提供了應用普遍性、一般性的知識來分析特殊現象的方法，同時歸納的結論是否正確，也需要演繹來論證。演繹是歸納的指導，歸納是演繹的基礎。人們正是在歸納和演繹的交替中，從個別到一般，又從一般到個別，使思想不斷豐富發展，認識趨于深化。

(四)否定之否定規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特的物理化學性質，能夠在自然界穩定存在，那么其他類似的二維材料能否也穩定存在呢？隨著研究的深入，一大批二維材料逐漸被理論預測或實驗成功制備。和碳同族的硅元素，電子結構類似，和碳具有很多相似的特性。因此研究者首先關注硅構成的二維材料。研究表明硅單層——硅烯是類石墨烯結構，表現出優異的性能，在低維材料中具有代表性。和石墨烯不同，硅烯不是絕對的平面結構，原子具有0.44?的起伏。具有褶皺而非平面結構的硅烯是比較穩定的。除此之外，研究者還研究了其他類石墨烯的二維材料，包括硼氮單層、磷烯、硼烯、過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三維材料無可比擬的優點，在許多領域應用極具潛力。通常情況下，二維材料是沒有磁性的，這使得二維材料無法在自旋電子器件中得到應用。為了使二維材料字自旋電子器件中能夠應用，調控其電子結構和磁性是新的挑戰。到目前為止，對二維材料性能的調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。二維材料的發展充分體現了辯證唯物主義關于認識運動是發展的這一基本規律，二維納米材料的誕生標志著材料科學進入了一個新的層次，從認識論的意義上看，人類認識自然的水平又前進了一步。也充分證明研究成果的取得不可能是直線型的，其發展是前進性與曲折性的對立統一。對石墨烯及其它二維材料性能調控的研究歷程，體現了哲學中的否定之否定規律。

在尋找新的二維材料的過程中，科學家已逐漸開始關注具有層狀結構的金屬硫族化合物。因為13族硫族化合物具有豐富的內稟缺陷結構、光學、電子以及光電特性，在基礎研究和技術應用兩個領域中都起著至關重要的作用。過渡金屬硫化物中過渡金屬原子在中間，硫原子在外圍。而Tl2S具有反CdCl2結構，是硫原子而不是鉈原子在中間層，這與過渡金屬硫化物剛好完全相反。傳統上認為Tl2S是稀有的硫鉈礦，Tl2S具有黑色、柔軟和極薄的物質特征，已經被成功合成。這為進一步的理論和實驗研究探索Tl2S的特性奠定了基礎。Tl2S是半導體，也沒有磁性。利用第三周期的過渡金屬摻雜，結果顯示所有的過渡金屬和有缺陷的Tl2S結合較強。體系的磁矩、稀磁半導體和金屬等性質和取代摻雜的過渡金屬原子有關。過渡金屬取代摻雜的Tl2S體系(從鈧到鎳)具有分數磁矩。這些發現將為實驗上和理論上探索二維稀磁半導體提供新的途徑。

否定之否定規律揭示的是事物發展的全過程。事物的發展是前進性和曲折性的統一，是螺旋式上升的，即使現在認為是正確的結論將來也可能出現變化，追求真理永無止境。上述類石墨烯二維材料的研究開發，說明人類可以通過多種研究方法改造生活中的客觀物質，通過認知客觀世界，不斷總結創新的過程也充實了辯證唯物主義的認識論和方法論。研制新型二維材料，調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律在科研中的具體體現，正是這種螺旋式上升的研究，才使人類改造自然的能力不斷提高，改善人類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

辯證唯物主義的認識論認為運動是不斷反復的，人認識不同事物也需要不斷運動反復，從實踐到認識，再由認識到實踐多次反復才能獲得正確結論。在認識世界改造世界的過程中，一定要發揮人的主觀能動性，不斷探索新的研究方法和觀測手段，讓新科技為人類服務，進一步認識和改造自然。二維材料的發展歷程充分體現了辯證唯物主義的思想。辯證唯物主義的方法論無處不在，物理學中諸多理論都是培養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研究。今后唯物論與辯證法在教學科研中還將起到重要的作用。在給學生上課時，不僅要傳授給學生物理學方面的知識，還要引導學生學習教材中的辯證唯物主義，樹立正確的世界觀、科學觀和方法論。

四、結語

本文根據自己博士階段學習和研究經歷，結合唯物論與辯證法，介紹了博士階段研究領域的研究對象和研究方法。二維材料的發展充分體現了唯物論與辯證法思想對科學研究的指導作用。石墨烯的發現和制備過程正是由量變積累到質變飛躍的體現，同時也反映了偶然性和必然性之間的關系。當偶然或機遇出現時，要善于聯想到其背后隱藏的必然，進一步深入研究，從偶然中找到必然，新的科學發現便誕生了。對現有二維材料性能的調控充分體現了否定之否定規律，對二維材料的認識和改進不是直線性的，其發展是前進性與曲折性的對立統一?？蒲羞^程要充分利用辯證唯物主義方法論來思考問題，從多方面、多角度對研究對象進行分析和總結，進一步實現對研究對象的改造和利用。通過對辯證唯物主義方法論的學習和思考，結合自己的科研領域，提升了對理論知識的理解，為將來進一步學習和研究相關知識打下了良好基礎。