英国伦敦最近举行了一次庆祝安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃塞洛夫发现石墨烯15周年的活动。诺沃塞洛夫鼓励研究人员,石墨烯之后可能很快就出现新一波的“先进材料”,利用它们可能解决从气候变化到疾病等一系列问题。
石墨烯于2004年在曼彻斯特大学被发现,简单地说,它是一层极薄的石墨,也就是你可以在铅笔尖找到的碳铅。更科学地说,它是一个六边形碳原子组成的排列成蜂窝状的原子厚度的薄片。由于其尺寸之一宽度是纳米级的,石墨烯实际上是一种二维材料,也是人类迄今发现的第一种二维材料。
它的特性听起来常常让人感觉它像是来自于与科幻小说。它的强度是钢的200倍,质量是钢的6倍,哥伦比亚大学的一个工程师团队曾说过一句名言: 一只大象平衡地站在铅笔上,才能穿透一层像保真薄膜一样厚的石墨烯。而且它具有非凡的导电性能,这就是为什么它在电子工业中引起如此大的轰动的原因。
三星电子已经合成了一种石墨烯球,这种石墨烯球可用于延长电池的使用寿命和加快充电速度。目前仅在中国就有6000家公司注册为与石墨烯有关的公司。华为去年开始使用它来控制其手机的热量。小米的耳机含有石墨烯薄膜,可以更快地传输声音。即使是跑步者也可以期待在下一代更强大的运动鞋中发现石墨烯的应用。
石墨烯似乎属于未来材料,以至于它已经被有些人认为是“一场炒作”,然而对于任何自重的新技术来说,这几乎是一场必要的洗礼。特别是由于石墨烯在大规模生产和严格质量标准方面所遇到的困难,已经导致它越来越多地被称为“不那么神奇”的材料,因为它没有完全兑现科学家对它的预期承诺。
然而石墨烯的发现者诺沃塞洛夫对这些说法不屑一顾,他认为石墨烯将成为一种商用材料。炒作是自然循环的一部分,他强调新技术在商业上应用的速度永远不会很快,尤其是在纳米材料方面。他的这种说法似乎很有道理,以硅为例: 这种材料在1824年被发现,但直到124年后,第一块硅片才被制造出来。
连续创业的科技企业家谢尔盖别洛索夫同样拥有计算机科学博士学位,他也有类似的看法。他把目前石墨烯的现状形容成父母们抱怨他们两岁的孩子跑不了马拉松。那是因为孩子只有两岁,他需要一个漫长的成长过程。在他看来,毫无疑问,石墨烯将在未来的商业中得到广泛应用。在某些方面,科学研究已经是过去的事情了。
事实上别洛索夫刚刚成立了一个新的教育和研究中心:沙夫豪森技术学院(SIT)。在他们的研究中,石墨烯将不会占据主导地位。取而代之的是,学生们可以专心研究诺沃塞洛夫在他的演讲中所关注的先进材料。这是一些全新的独特的材料,科学家们认为它们不可能在物理上存在。
事实上之前发现的石墨烯就是其中之一,诺沃塞洛夫解释说,早在2004年他的发现之前,科学界就否定了石墨烯存在的可能性,当时没有人能想到石墨烯会存在。研究人员当时已经对这种材料进行了推测,但他们得出的结论是,单个二维原子层的状态太不稳定,不具备物理可能性。因此当诺沃塞洛夫和海姆开始分离碳层时,起初只是简单地在石墨上粘贴胶带,然后把它们分开,最终却发现了石墨烯。他们实际上所做的是创造出一些在自然界中从未见过的东西。
对诺沃塞洛夫来说,这才是材料的真正意义所在,比材料本身更重要。石墨烯为其他2D材料以及人造材料开辟了道路,这是他现在研究的重点。石墨烯证明,在我们用来制造物体的天然物质之外,可能还存在一个世界。诺沃塞洛夫说:到目前为止,我们所拥有的是材料,每一种材料都有其属性,一旦组装起来就有了功能,但我想专注于创造本身就有功能的材料。
为了说明这一点,他以人体为例,人体中的每个细胞都是活跃的和有功能的,以细胞为模型的材料可以以实时的方式运作,对不同的环境做出反应并解决问题;或者可以设计出模仿树木行为的材料,并通过创造新的健康组织来应对损害。诺沃塞洛夫继续说,材料可以是计算机本身,也可以自己做出决策,而不是使用材料来制造计算机。可能性是无限的。这位物理学家说:从石墨烯到我现在正在做的事情是一个漫长的思考过程。这是一个全新的工作模式,但是我们可以用这种技术解决很多问题。
在计算机技术领域,人们有理由感到兴奋。电子行业进入了一场性能竞赛,同时还要支持不断增长的数据消耗,这导致生产出越来越小的集成了晶体管的硅芯片。量子计算机或光子计算机是工程师们正在寻求的用来解决问题的解决方案示例。先进材料提示我们:我们的技术仅限于几种材料,功能也有限,我们太胆小,不敢提出新的解决方案,而先进的材料可以改变这一点。
诺沃塞洛夫的视角是科学家的视角,但也可能是企业家的视角。先进材料可能带来的商机的确是巨大的,而这正是沙夫豪森技术学院创立的根本原因。他解释说,新研究所将是工业和教育之间的一种新型伙伴关系,在这种关系中,所进行的基础研究将针对未来20年在工业中特别确定的挑战。它们包括全球变暖、太空探索、战争和暴力、贫困等等。虽然科学家们称它们为‘先进材料’,但仅仅是才刚刚开始这项新技术的研究。它能带来很多解决方案,但目前科学家们甚至并不知道我们真正需要的是什么。