3. 胶带粘出诺贝尔奖

海姆是一个从科研中寻找乐趣的人，现在，我们回到他发现石墨烯的过程中。

当海姆教授在脑海中想象碳原子的二维晶体材料时，他招收了一位中国博士生。新人乍到，正好需要熟悉实验室的环境，改善英语水平，磨练实验技巧。于是，海姆分配这位学生用高级的抛光机来打磨石墨样品，这种抛光机可以将样品磨到零点几个微米的平整度。

当然，海姆教授并不是莫名其妙异想天开地给学生这个“磨石墨棒”的工作，这个想法来自于海姆脑子里琢磨了好几个月的众多想法中的几个问题。海姆在2010年他的诺贝尔物理学奖获奖报告中将这几个问题总结成当年思想中的“三朵小云” ^【5】。

第一朵小云是有关金属导电，第二朵小云是关于上世纪90年代热门研究的碳纳米管。这两朵停留在海姆脑袋中的小云，因第三朵小云的出现而诱发出灿烂的思想火花。那是海姆读了一篇有关在石墨的层与层之间插入其他物质的文章后受到的启发。文中提到，尽管石墨是我们人类的老朋友，并且科学家对石墨研究了多年，但却依然知之甚少。将这朵小云与前面两朵联系起来：石墨、薄膜、碳纳米管的优良特性……，海姆感觉到石墨非常值得深入研究。

于是，海姆从三朵小云构思了一个课题，首先让那位新来的中国研究生尝试尝试吧。

话说那位中国学生磨了整整三星期，磨出了一片10微米厚，大约相当于1000个碳原子厚度的薄片，显然，这个结果距离单原子层还“路漫漫其求远兮”。

这个课题受到了挫折，是否应该放弃呢？研究项目很多，科研的道路不止一条，正当海姆等人作如此之想时，没料到一件不相干的事改变了他们的想法。

在海姆实验室的隔壁，有一位来自乌克兰的隧道扫描显微镜（STM）专家。一次，海姆与他谈及石墨抛光工作，开玩笑似地比喻说，这就是要将“铁棒磨成绣花针”啊！没想到这位专家听了之后，眼珠转了转，跑到自己实验室的垃圾桶里翻了半天，找出几条粘着石墨片的胶带给了海姆。解释说，石墨是他们检查隧道扫描显微镜时常用的基准样品。实验前，技术员们采取一种简单而快捷的标准方法清洗样品：用透明胶带把石墨的最表层粘掉！“不过从来没有人仔细看过扔掉的胶带上有些什么东西，你拿去看看吧，也许对你们有用哦！”

于是，海姆把这些胶带放在显微镜底下仔细观察，发现有一些碎片远比他们用抛光机磨出来的要薄得多，这时候海姆方才恍然大悟，意识到自己建议学生用抛光机来磨石墨是多么愚蠢的事。对了，用胶带！为什么不使用胶带呢？

遗憾的是，这位给了海姆灵感的专家，因忙于自己的实验，没有参与到海姆的“胶带剥离法”工作中，倒是另一位不到30岁的年轻小伙，康斯坦丁·诺沃肖洛夫Kostya Novesolov，参与了进来。

于是，两人开始用透明胶带来对付石墨：粘贴、撕开，又粘贴、又撕开，反复实验，“粘上、分离”多次之后，终于得到很薄的薄片。然后，诺沃肖洛夫又想法用镊子把剥离下来的石墨薄片从胶带移放到氧化硅晶圆的基板上进行测量。测量结果显示其中有一些石墨片只有几个纳米厚，使两人兴奋不已。就这样，第一种二维晶体材料-石墨烯正式出场了，果然应了那句中国俗话：“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫”。

2004 年 10 月，美国《科学》杂志发表了海姆和诺沃肖洛夫的研究成果，2010年，两位学者由此成果而荣获诺贝尔物理奖。

4. 兴旺的碳原子家族

所以，石墨烯不过就是单层的碳原子。碳是我们十分熟悉的名字：二氧化碳、一氧化碳、煤炭……。碳原子无处不在，它在宇宙中的丰度仅次于氢、氦和氧，在地球表面存在极为广泛，是构成有机体的主要元素，地球上的碳循环与生命演化发展过程息息相关。

除了碳的各种化合物之外，碳有多种同素异形体，即各种不同的分子晶体结构，形成一个碳单质的大家族，见图1-4-1。其中，到2017年底，石墨烯仍可算是大家族中最年轻的成员。

图1-4-1：碳的同素异形体

碳的各种同素异形体虽然都由碳原子构成，但他们的物理性质却截然不同，差别极大。

比如，以最老的成员金刚石（也就是人们所说的“钻石”，见图1-4-1左上）及石墨（图1-4-1左下）为例，它们的许多物理性质分别位于两个极端：石墨性软，钻石却是最硬的矿石。石墨是良导体，钻石是绝缘体。石墨乌黑乌黑不透明，钻石晶莹剔透闪亮光。石墨极为普通随处可见，钻石却是价值昂贵的珠宝。

碳的同素异形体结构，还有碳纳米管、石墨烯、和富勒烯等，基本上都以类似的平面正六边形结构为主，有时也混杂了一些五边形和七边形。这些不同结构各有特点，如果忽略很小的纳米尺度，从几何维数来分类，可以将碳纳米管看成是1维结构，石墨烯是2维结构，富勒烯则可以算是点状的0维结构，如图1-4-2所示。最典型的富勒烯是拥有60个碳原子的巴克球C60，其结构与一个现代足球类似。当然，正如在本系列第一篇评论中，网友石磊所提醒的，最简单的一维碳链、一个碳原子（0维）等，也都应该算是碳原子家族的一份子，不过难以制备出来，且尚未有实际应用而已。

图1-4-2：富勒烯

参考文献：

【1】Landau, L. D. & Lifshitz, E. M. Statistical Physics, Part I (Pergamon, Oxford, 1980). pp. 137-138.

【2】Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. (2004-10-22). "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films". Science. 306 (5696): 666–669.

【3】Andre Geim - Nobel Lecture: Random Walk to Graphene，http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/geim_lecture.pdf

【4】Berry, M. V.; Geim, A. K. (1997). "Of flying frogs and levitrons" (PDF). European Journal of Physics. 18 (4): 307–313.

【5】A.K. Geim和H.A.M.S. ter Tisha，Physica B 294-295,736-739（2001）

（未完待续）

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