揭秘：石墨烯是這樣被首次實(shí)現(xiàn)的！全球科學(xué)家跪了……
當(dāng)前位置：點(diǎn)晴教程→知識管理交流
→『 企業(yè)管理交流 』
石墨烯將取代硅，為世界電子科技開創(chuàng)一個嶄新的時代！ 石墨烯手機(jī)充電時間只需5秒，電池就滿檔，可以連續(xù)使用半個月！ 石墨烯電池只需充電10分鐘，環(huán)保節(jié)能汽車就有可能行駛1000公里！ 什么神奇的石墨烯到底是什么東東？ 石墨烯是世界上最薄、最硬的材料，于2004年問世,發(fā)現(xiàn)石墨烯的英國曼徹斯特科學(xué)家安德烈·海姆（Andre Geim，AG）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）憑借著這一發(fā)現(xiàn)獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。 所以我們就來認(rèn)識一下今天的主角——Andre Geim（以下簡稱AG）。他的科學(xué)才華無與倫比。在他的眼中，科研是一個滿足自己好奇心的游戲。并且在十幾年的時間中，玩耍出了很多驚世駭俗的科學(xué)成果，讓所有苦行僧一樣的科研狗們羨慕不己。
事實(shí)一再印證，命運(yùn)之神會眷念每一個逗逼。于是，他終于發(fā)現(xiàn)了牛B的石墨烯，使人類的科技從硅時代一躍進(jìn)入碳時代，并為自己贏得了科學(xué)家的最高獎——諾貝爾物理學(xué)獎。 他曾一無所有，他將擁有一切。他神一般的存在，只為證明一個真理：好奇心才是科學(xué)的第一推動力?。?！ AG的這張照片看著好有男神范兒，充滿學(xué)霸的光環(huán)。不過，小編覺得他的長相好像一個人。。。 沒錯！就是《科學(xué)大爆炸》中的逗逼霍華德。事實(shí)也證明了，AG可能是所有諾貝爾獎獲得者中，最具逗逼氣質(zhì)的獲獎?wù)吡?。這事兒我們稍后再提，先說說他苦逼的前半生。 AG在35歲以前，是一個養(yǎng)家糊口都犯難的主兒。 AG上世紀(jì)80年代進(jìn)入俄羅斯科學(xué)院攻讀固體物理學(xué)博士學(xué)位。導(dǎo)師給了AG一個不怎么需要花錢的課題，然后。。。AG就花了5年的時間，想著怎么在這個垃圾課題中找出一點(diǎn)有價值的東西。他努力了，并且發(fā)表了5篇paper。但一個學(xué)術(shù)網(wǎng)站的編輯對AG說，他這5年做的研究完全是一坨shi。。。 多年后，AG在回憶這段研究歲月時“深情”地說：“我還是從中學(xué)到了一些讓我受益終身的東西，那就是絕！對！不！要！讓你的學(xué)生研究那些已經(jīng)死了很久的課題方向?！?/P> 1987年他拿到自己的博士學(xué)位后，進(jìn)入俄羅斯科學(xué)院，開始了一條科研狗的生活。 AG找了個機(jī)會跑到英國做博士后，隨后幾年中又分別去了丹麥、荷蘭，其實(shí)就是去這些發(fā)達(dá)國家的實(shí)驗(yàn)室里打工掙錢養(yǎng)家糊口。 由于之前一直沒有做出什么亮眼的成果，也沒有發(fā)過什么好paper。所以，AG到哪兒都是一個無名小卒，無人問津。時間一晃，他已經(jīng)36歲了，基本上一事無成。沒有自己的科研團(tuán)隊(duì)，沒有研究方向，更沒有豐厚的科研經(jīng)費(fèi)。 如果是在中國，他這樣的科研狗已經(jīng)被很多所謂的專家們在科研上判死刑了，用來作為反面教材教育年輕人要好好聽話、老實(shí)干活、多發(fā)文章。 被中國專家緊握著手，AG只能“呵呵”了 一個偶然的機(jī)會，AG成為荷蘭一所大學(xué)的副教授。為了能專心做科研，不再為五斗米奔波，他選擇加入荷蘭國藉。吃飯問題解決后，他那被雪藏已久的逗逼氣質(zhì)，漸漸地蘇醒了，有如黃河泛濫，一發(fā)不可收拾。 他所在的實(shí)驗(yàn)室中，有一臺能產(chǎn)生20特斯拉的超導(dǎo)磁鐵，幾乎是人類制造出的最強(qiáng)磁場。嗯。。。這個怎么形容呢，就是比我們?nèi)粘Ｒ姷降碾姶盆F磁性強(qiáng)幾十甚至上百倍吧。如果在這樣的磁場周邊放上刀叉之類的鐵器，估計會馬上變成小李飛刀。 然后，沒有科研經(jīng)費(fèi)的AG，就打起了這臺超導(dǎo)磁鐵設(shè)備的主意。 磁學(xué)有一個特別有意思的特性，就是當(dāng)物體在磁場中運(yùn)動時，物體中會產(chǎn)生與運(yùn)動方向相反的力，抵抗物體的運(yùn)動。 嗯，作為漫科普一名堅持不講科學(xué)公式的小編，我是不會告訴你抗磁性是運(yùn)動的電子在磁場中受電磁感應(yīng)而表現(xiàn)出的屬性的。 大家只要記住一點(diǎn)就夠了：所有的物質(zhì)都有抗磁性，也就是會抗拒被磁場磁化。只不過有些物質(zhì)的順磁性或鐵磁性太強(qiáng)，如磁鐵，將抗磁性掩蓋了，從而表現(xiàn)出磁性。另外，由于抗磁性系數(shù)不同，產(chǎn)生的斥力大小相差也很大。 那么，磁學(xué)的這一個特性，有什么好玩的地方呢？看看下面令人大開眼界的動圖。 這個有趣的現(xiàn)象又被稱為“羽落術(shù)”。這里使用了一塊釹磁鐵和一只粗銅管。釹磁鐵產(chǎn)生磁場，而銅是優(yōu)良的抗磁性物質(zhì)。運(yùn)動的磁場與銅管相互作用，銅內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過電磁作用產(chǎn)生向上的斥力阻礙了釹磁鐵下落。從而，產(chǎn)生畫面中重物在空氣中緩慢下落的神奇效果！ 嗯，我們期待已久的AG終于要登場了。吃飽喝足后，他的逗逼創(chuàng)造力，絕對可以在科學(xué)史上寫下濃墨重彩的一筆。 于是，他逗逼的往20特斯拉的磁場中倒水。。。沒錯，就是倒?。。?！ 水?。。?！ 這要是在中國，老板看到哪個科研狗膽敢往高級儀器中倒水，一定會讓這只科研狗腦子進(jìn)水。。。 估計沒有哪只科研狗敢做出這么膽大妄為的舉動，于是，AG成為了AG，而中國的科研狗們繼續(xù)NG。。。 上帝的秘密就這樣被AG發(fā)現(xiàn)了。一滴渾圓的水滴，像失去了重力一樣懸浮在磁場中。它就在那里，不上不下，不悲不喜，不離不棄。 水為什么會懸浮在磁場中呢？其實(shí)，水分子也具有抗磁性，只不過非常小，如果是一般的磁場，產(chǎn)生的斥力與水滴受到的重力相比，完全可以忽略不計。但AG所用的磁場是如此之強(qiáng)，足以使水滴克服地球重力懸浮起來。 當(dāng)然，作為一個被壓抑了多年的科學(xué)逗逼來說，AG絕不會滿足于把一滴水懸浮在空中，因?yàn)槟菢犹粔蚨罕凭窳耍。?/p> 生物體內(nèi)絕大多數(shù)都是水份，而且，蛋白質(zhì)等也是抗磁性的。問題來了：生物如果在強(qiáng)磁場中，會像水滴一樣懸浮起來嗎？ 于是，他把活的生物體也扔到了那個威力巨大的強(qiáng)磁場中。其中，最搞笑的是一只青蛙。 當(dāng)青蛙被放到磁場中，青蛙的每個原子都像一個小磁針，外界磁場對這些小磁針作用的結(jié)果產(chǎn)生了向上的力，如果磁場的強(qiáng)度適當(dāng)，這力與青蛙受的重力達(dá)到平衡，它們就能懸在空中。懸浮的青蛙，也為AG贏得了2000年的搞笑諾貝爾物理學(xué)獎。 這只青蛙，大概是第一個沒有受外力作用，比如氣流等，而能夠在地球上懸浮的活體生物了。 嗯，說到這里，大家肯定自然而然地會想到，人體是否也能懸浮在磁場中。從理論上說，是完全沒有問題的。利用抗磁原理，只要用足夠強(qiáng)的磁場，經(jīng)過周密的設(shè)計，將來就有可能使人體在磁場中懸浮起來。 AG搞笑的本色并未就此停止，他后來做的一系列逗逼科研更是有增無減，甚至為他贏得了真正的諾貝爾獎。 AG另一個牛B的研究，是發(fā)明了一種膠帶。
在電影《諜中諜4》中，阿湯哥曾戴著一雙“壁虎手套”，順著玻璃墻，徒手攀爬世界第一高樓——哈利法塔。 當(dāng)然，這只是電影的一個橋段，壁虎手套是人們想象出來的。但在自然界中，壁虎爬墻的本事，卻真的讓人類垂涎三尺。無論是粗糙的樹干，還是光滑的玻璃，壁虎都能行走如飛。壁虎為什么有如此神奇的本領(lǐng)？ 原來，秘密就在壁虎的腳掌上。 人們曾經(jīng)以為壁虎的腳掌能在各種材質(zhì)的墻壁上行走，是由于粘液或腳掌上小吸盤的幫助。但這些假設(shè)很快被實(shí)驗(yàn)推翻了。簡單想一想就能明白，如果壁虎是被粘液或吸盤牢牢地吸附在墻上，它怎么能夠靈活地邁步呢？所以，壁虎行走的迷題一直沒有很好的解釋。 直至2000年，美國科學(xué)家用電鏡放大觀察壁虎的腳掌，發(fā)現(xiàn)壁虎的腳掌充滿了無數(shù)小的毛狀物體。由于這些物體比較硬，又稱為“剛毛”。那些看似小鉤子一樣的剛毛末端，實(shí)際上是開叉的，每根剛毛都分成了100-1000根更細(xì)的絨毛，這些絨毛的尺寸小到納米級品。 因?yàn)檫@些絨毛如此之小，以至于整體的表面積大大提高。極大的增加了壁虎腳掌的表面積，特別是當(dāng)壁虎攀在那些粗糙的物體表面時，這些絨毛更能填滿那些細(xì)小的坑洼。 現(xiàn)在要說的，就是壁虎最牛B的地方了。它根本不是靠人們想像的宏觀條件下的力吸附。它依靠的是剛毛上的小絨毛，與墻壁產(chǎn)生的范德華力——也就是說，是它腳掌上的分子與墻壁分子間產(chǎn)生的力！ 說到范德華力，是一種發(fā)生于分子與分子之間的吸引力。下面的小實(shí)驗(yàn)可以讓你體會到范德華力的力量。 找兩本厚一點(diǎn)的書，最好是紙張薄軟一點(diǎn)的，像洗撲克牌一樣把兩本書的書頁一張壓一張的疊在一起。全部疊完后用手壓一壓，然后分別抓住兩本書的書脊，試試能把它們拉開嗎？把兩本書“粘”在一起的力量，就是范德華力。 如果你沒有耐心把兩本書一頁一頁的交疊，也可以去買一部新手機(jī)。很多人都特別享受揭開新手機(jī)屏幕保護(hù)膜的那個瞬間，其實(shí)那層膜就是靠范德華力“粘”在手機(jī)屏幕上的。 相比讓原子構(gòu)成分子的那些作用力，范德華力很小，生活中我們往往不會在意到它的存在。但是這個很小，只是相對來說的。億萬根這樣的絨毛足以產(chǎn)生巨大的吸引力，從而可以使得壁虎爬上任何物體表面，甚至玻璃的天花板。有科學(xué)家測算，壁虎腳掌上剛毛產(chǎn)生的吸附力，可以達(dá)到其體重的50倍。 聽到這兒，是不是覺得壁虎超級牛B。人類文明發(fā)展了上萬年，也就是近一、兩百年，才開始認(rèn)識到原子、分子間力的作用。而壁虎，則早已運(yùn)用分子間的范德華力吸附在墻上傲嬌幾百萬年了。 說了這么多壁虎，該輪到我們的科研男神AG登場了。 壁虎腳掌這么好玩的課題，當(dāng)然不會逃脫AG的視線，他一時興起，就想試試能否做出像壁虎腳掌一樣的膠帶。這種膠帶最大的優(yōu)勢是可以反復(fù)使用，而且吸附力強(qiáng)大。未來，人類也可以像壁虎一樣自如攀爬高樓，《諜中諜4》中的鏡頭絕不是夢。 于是，他模擬壁虎腳掌的結(jié)構(gòu)，在一種高分子材料（聚酰亞胺）上進(jìn)行刻蝕，制造出單個微突起直徑為500nm，高2μm，以間隔1.6μm周期性排列的表面。制作了一片小小的膠帶。放大后，膠帶表面是這個樣子的（密集癥患者回避～～～）： 這種膠帶中每0.5平方厘米負(fù)重可達(dá)300克的物體。如果要把一個人粘在墻上，用一張A4紙大小的膠帶就足夠了。而且這種膠帶可反復(fù)使用，被稱為“壁虎膠帶”。 這一次，他還是不改逗逼本色，把蜘蛛人（模型）牢牢地粘在天花板上。于是。。。世界媒體又沸騰了。。。這是人類為數(shù)不多地仿照動物身體微觀結(jié)構(gòu)，制造出的神奇材料。 仿生材料學(xué)，自此進(jìn)入研究高潮。 現(xiàn)在，全世界都對AG充滿了期待——他又會玩出什么讓人眼前一亮的科學(xué)成果呢？ 哦，順便說一句，受AG的啟發(fā)，美國的科學(xué)家們已經(jīng)真正地發(fā)明出了“壁虎面板”。并且成功地攀爬上一面二十幾米高的高墻。。。是不是有種想立刻爬墻的沖動？ 關(guān)于壁虎手套的研究，絕對可以拍攝一部不亞于好萊塢科幻大片的科學(xué)紀(jì)錄片?！韭破铡康男【幐奶煸俑蠹液煤脟Z一嘮這項(xiàng)研究。、 時間又到了2004年，這一年，AG想玩一次大的。 現(xiàn)代人類對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了一個相對明確的認(rèn)知。如果從原子尺度觀察物質(zhì)結(jié)構(gòu)，原子們就是像搭樂高積木一樣構(gòu)建出我們這個千變成化的物質(zhì)世界。 而在人們所認(rèn)知的結(jié)構(gòu)中，石墨絕對是一個另類。 石墨的晶體結(jié)構(gòu)是層狀的，靠微弱的范德華力把相鄰的兩層貼合在一起。層與層之間充斥著大量的電子，因此，石墨是良好的導(dǎo)電體。 而單個石墨層，則是碳原子與碳原子相互連結(jié)形成正六邊形，并延伸成一張無限大的原子網(wǎng)。這張網(wǎng)上的原子連結(jié)的是如此結(jié)實(shí)，以致于這張網(wǎng)比鉆石還硬。 有過削鉛筆經(jīng)驗(yàn)的小伙伴們都很清楚，鉛筆中的石墨芯是很軟的，而且很容易就掰斷了。用鉛筆書寫，其實(shí)就是一個將芯上脫落的石墨顆粒留在紙面上過程。 這是因?yàn)槭噜彿肿訉诱澈系牧苋?。石墨層很容易發(fā)生相互移動或剝離。就像下面這幅圖示意的一樣。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)儀器的不斷進(jìn)步，人類研究的尺度也越來越小。已經(jīng)進(jìn)入到納米、甚至更小的原子級別。然而，盡管人們對石墨的結(jié)構(gòu)已有了完全的認(rèn)識，甚至預(yù)言了單層的石墨可能會具有非常好的物理性質(zhì)。但如何把石墨不斷地磨薄，薄到只有一個原子的厚度，這個世界難題還是讓所有的科學(xué)家們望而卻步了。 甚至有些科學(xué)界的大牛們斷言，單層的石墨是不可能獨(dú)自存在的！所有妄想做出單層石墨的人，都是癡人說夢！ 馬云的這句話很精辟：夢想還是要有的，萬一實(shí)現(xiàn)了呢？ 于是，AG果斷地把一塊石墨遞給一個研究生：“去，把它磨到最薄！” 那個研究生當(dāng)時就暈菜了。。。鐵杵磨成針已是極致，你居然讓我磨到原子量級。。。 于是這個研究生天天苦逼地磨石墨，幾個月后，已經(jīng)磨到最薄，實(shí)在磨不下去了。拿來一測量，還有幾千個原子層厚，他絕望了。。。于是撒手不干，老子不玩了。 此路不通，AG只好再尋他途。這時，他看到學(xué)生用透明膠帶貼在石墨表面，就問學(xué)生為什么這么做。學(xué)生說膠帶可以把表面一層臟的石墨撕下來，再用干凈的表面來磨。 瞬間，AG的腦洞亮了。他把撕后的膠帶放到顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)膠帶上的石墨厚度比那個研究生辛苦磨出來的石墨片薄多了，有些甚至只有幾十個原子層厚。 撕?。∠拢?！來??！ 撕！！下??！來！！ 撕??！下?。恚?！ 重要的事情說3遍。 于是，史上最簡單粗暴，駭人聽聞的科學(xué)實(shí)驗(yàn)誕生了！AG真的反復(fù)用透明膠帶粘在石墨上，然后一遍又一遍地撕膠布，直到膠帶上的石墨越來越薄，直至一個原子的厚度，也就是獲得了單層的石墨，又被稱為——石墨烯。 在石墨烯中，六邊形的原子結(jié)構(gòu)清晰可見 大家應(yīng)該都有過用膠帶粘紙上的錯字的經(jīng)歷。而AG制備單層石墨烯的過程與之類似。 AG再次向世人證明，解決具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，往往不需要用高深的理論或復(fù)雜的儀器，需要的，更多地是人們對日常生活細(xì)致的觀察與靈活地運(yùn)用。 面對用透明膠帶撕出來的石墨烯，全世界的科學(xué)家毫無保留地獻(xiàn)出了他們的膝蓋。 擁有搞笑諾貝爾物理學(xué)獎的逗逼之神AG，因?yàn)槁氏茸龀鍪┎y試了相關(guān)的物理性能，獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。這一次，是貨真價實(shí)的諾貝爾獎。 關(guān)于石墨烯，再啰嗦幾句。有人把石墨烯喻為人類在21世紀(jì)最重要的材料。石墨烯導(dǎo)電性極好，而且?guī)缀跬该?。未來幾年將運(yùn)用到手機(jī)屏中。 而且石墨烯強(qiáng)度極高，秒殺鋼鐵等材料。已經(jīng)有人腦洞大開，準(zhǔn)備未來用石墨烯修建通往太空的軌道。 AG的故事還遠(yuǎn)沒有結(jié)束，全世界的人都在盯著他，未來，他又會帶給我們怎樣的腦洞與歡樂呢？ 評：不要小看任何一個富有想象力的人！
該文章在 2015/11/25 19:29:25 編輯過 |
關(guān)鍵字查詢
相關(guān)文章
正在查詢... 
|
400 186 1886
