作为一名物理教师，每年国庆期间最关心的一件事情，就是了解诺贝尔物理学奖花落谁家。瑞典皇家科学院5日宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料研究方面的革命性成就。

安德烈·海姆

康斯坦丁·诺沃肖洛夫

人物简介

安德烈·海姆1958年出生于俄罗斯的索契，现为荷兰籍，目前同时受聘于英国曼彻斯特大学和荷兰奈梅亨大学，也是荷兰代尔夫特大学的名誉教授。康斯坦丁·诺沃肖洛夫1974年出生于俄罗斯的下塔吉尔，具有英国和俄罗斯双重国籍。两人都是在俄罗斯开始各自的物理学研究生涯，现在同为英国曼彻斯特大学物理与天文学院教授，而且还是多年的研究搭档。

海姆和诺沃肖洛夫于2004年制成石墨烯材料。这是目前世界上最薄的材料，仅有一个原子厚。自那时起，石墨烯迅速成为物理学和材料学的热门话题。

目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命。

石墨烯的发现

2004年，海姆和诺沃肖洛夫偶然中有了新发现。他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。

石墨烯的超强导电性

石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。

经典物理学中，一个能量较低的电子遇到势垒的时候，如果能量不足以让它爬升到势垒的顶端，那它就只能待在这一侧。就像攀登阶梯一样，如果你攀不上去，就只能停留在下面的阶梯上；在量子力学中，电子在某种程度上是可以看作是分布在空间各处的波。当它遇到势垒的时候，有可能以某种方式穿透过去，这种可能性是零到一之间的一个数。当石墨烯中的电子波以极快的速度运动到势垒前时，量子电动力学作出了一个令人吃惊的预言：电子波能百分百地出现在势垒的另一侧。

这一预言被实验所验证。有人在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。一般情况下，增加了额外的势垒，电阻也会随之增加，但事实并非如此，因为所有的粒子都发生了量子隧道效应，通过率达100%。也就是说，“载荷子”可以在其中完全自由地穿行。

石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料，这使它在微电子领域具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。

石墨烯的强度

法国皇帝拿破仑曾经说过：“笔比剑更有威力”，然而他在200年前说这话的时候绝对不会想到，人类使用的普通铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质！

美国哥伦比亚大学的两名华裔科学家李成古和魏小丁（音译）研究发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。美国机械工程师杰弗雷·基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。

地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它将拥有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达 23000英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线！

我们国家的“嫦娥二号”正在飞向月球，采用的是火箭发射的方式。人类如果通过“太空电梯”进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料，美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。

不过据科学家称，尽管石墨在大自然中非常普遍，并且石墨烯是人类已知强度最高的物质，但科学家可能仍然需要花费数年甚至几十年时间，才能找到一种将石墨转变成大片高质量石墨烯“薄膜”的方法，从而可以用它们来为人类制造各种有用的物质。