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未来将属于二维材料时代 | “凯发体育app苹果手机烯之父”海姆讲述二维材料发展

在11月3日的中国科幻大会“科技与未来”论坛上,被称为“凯发体育app苹果手机烯之父”的2010年诺贝尔物理学奖获得者、英国曼彻斯特大学物理学教授安德烈·海姆,为我们讲述了凯发体育app苹果手机烯以及更多全新二维材料的故事。以下为演讲全文。

未来将属于二维材料时代 | “凯发体育app苹果手机烯之父”海姆讲述二维材料发展

很高兴受邀参加这个专题论坛。在这个论坛中,我特别希望能给科幻贡献一点点科技力量。10到15年前,很多科学还停留在科幻层面。我想从物理学与材料学的角度,给大家来介绍一下在这个领域现今研究最火的一些材料。

人类的文明从四千前开始发展,从瓷器时代到青铜时代,再到铁器时代,每个时代都有一种材料来代表当时的发展。我们现在生活的这个时代,就是塑料与硅的时代,这也是现今我们文明的代表性材料。那么一个简单的问题,不仅是从科幻的角度,我想每个人都会感兴趣未来会发生什么,下一步会是什么呢?有哪些材料出现,帮助我们改善生活,让如今的文明更好地发展呢?

我想说未来的一个时代是二维材料的时代,那在未来一百多年甚至一千多年,这种材料在我们的生活中起什么样的作用呢?在回答那些问题之前,我先跟大家讲一些我个人的故事,有关于我的好奇心,我相信年轻人应该明白怎么去做,我希望我的故事对大家有所启发。这些故事讲述了我们如何开始这项研究,以及我如何发现了这些二维材料。

20多年前,我获得了终身教授的资格。有时候做科研会比较枯燥,所以我会做各种测试,希望根据一些科幻或自己的好奇心去找一些比较新颖的材料与物质,好进一步研究。当时,我做过的一个实验是什么呢?这个实验现在已经广为人知,也比较受人欢迎。但当时那个实验并不是我预期去做的,也没有一个人会想到做这样的实验。

当时在荷兰,我们用超强磁场的设备在做一些实验。其中有些设施,大家对它们的利用率不是很高,但设备不用也会慢慢老化。所以,我开始想用这些设备能做些什么,为什么不做一些实验呢?当时出于好奇心,我想知道把水倒在强磁场中会发生什么呢?因为我学了很多年的物理学,也知道一些常识,比如我们经常可以买到小的除垢器,据说按上这个除垢器之后,可能过几天或者几周后,水垢就会消失了。所以,我在想如果这种有磁力的水真的存在的话,为什么我们不进一步澄清背后的物理现象,了解的更清楚呢?

所以,我就想强磁场设备与其放在一边老化不如利用起来,于是我把水倒到了强磁场设备中。一般从科学家角度,大家会惊讶用这么昂贵的设备做这样的实验。当时我把水倒进去之后,你会看到视频上有一个水滴悬浮着,而且它发出这样的颜色,就好像是反磁力一样。在这个空间里面,它的磁力和引力好像消失一样,就如同在宇宙飞船中消失了磁力引力一样。

当时,水产生了逆磁效应,其实它只是抗磁性。这非常简单,每个人、每件物体,其实都有一定的磁性,但是因为这种磁性和磁力比较小,所以没有人留意到。所以,我和当时的同事都很吃惊,那么多年来,大家从来没有想到这个磁力是无处不在。后来,因为一些其他的想法我们又做了一些实验。除了水在高磁场当中,我们还可以把什么东西放进去做实验呢?最后我们发现什么东西放进去都会浮起来。慢慢我有了这些想法,有没有别的东西放进去也可以浮起来呢?所以我后来拍了这段短片,这是20年前我做的实验当中这是最难的一个实验,因为当时想把青蛙放进来,但是青蛙跳来跳去很难放进去。可能很多人觉得这是很简单的一个实验吧,但是简单的事情,背后往往有一些收获。当我参加会议时很多人对我说,我认识你,虽然我不知道二维材料是什么,但是我知道那个青蛙实验。

所以,通过这种不同的实验,我们就会知道更多地观察我们生活的这个世界和周遭,其实很多东西并非如生活中所见不到。我在遇到很多事情时,都会想能不能从中研究一些东西,从现象中学到一些东西。我也是这样去思考自然界的很多事情。

所以我后来看到壁虎,中国也有很多壁虎,那我从壁虎身上学到了什么呢?壁虎可以完全在墙上爬,但依赖的是一种非常简单的机制。壁虎的脚爪上面有很多细细的、特别小的绒毛,在这个尺度上这些绒毛的表面会产生一种力,这种力非常小,可能只有十分之一牛顿(N)。正因为这些细小的绒毛,所以壁虎可以把数十亿的小绒毛利用起来,让它们可以在任何墙体的表面爬行,比如在垂直的墙壁上爬行。当时我就有一个想法,如果这么简单的话,也许我可以在工作当中,将这个尺度上的力作为一个研究方向。物理学中的研究一般比较复杂,但是也许在这个尺度的研究我可以考虑看看。

所以,后来我把这种方法与机制应用到了一种胶带上面,我们做了一种类似壁虎的胶带,可以粘在玻璃和窗户上。但是这种材料不可多得,后来我做了一点材料,就是它可以让你像壁虎一样,牢牢地粘在玻璃表面。我在德国的同事们,他们做了好大块的材料,一手粘在玻璃上,可以完全悬空起来。这就是充满好奇地观察生活当中的小事获得的成果,这就是好奇心的重要性。

我的好奇心又把我带到另外一个领域,就是研究凯发体育app苹果手机烯。很多哲学家都说过,如果把材料不断地分开,不断地分离会发生什么呢?最后就会产生一种原子。物质越来越微小,最后只剩下了原子,这是大自然当中一个最小的可见结构。所以我们把这种材料不断地分离,不断地一层一层分开,然后做各种实验,就是为了把它里面最小的结构给区分开和分离开。后来,我们有了这样一卷胶纸,能把凯发体育app苹果手机烯最小的结构分离出来了。凯发体育app苹果手机就是所有铅笔组成部分,是铅笔的笔芯。凯发体育app苹果手机很容易作出非常多的晶体结构,如果你直接看它的表面看上去就像垃圾(黏在胶带上的凯发体育app苹果手机)一样,对吧?

这些步骤我都经历过和做过,在显微镜下面,你会看到这些凯发体育app苹果手机以及它的形态发生了变化,它的结构你也看得很清楚。而且这些结构当中,有一些光可以透过去,而且有一些是透明的,光可以完全通过。如果你了解有关材料学、物理学最基本的知识的话,就会知道如果一种材料是透明的,这就意味着它会特别薄。所以,我们在做研究的时候就意识到,我们可以把凯发体育app苹果手机做到特别薄的程度。

那为什么我会对像垃圾一样的胶带上的凯发体育app苹果手机,产生这么大的兴趣呢?因为有很多哲学家和科学家都会有不同的理论,那么我们为什么会对这个领域产生兴趣呢?如果你看我们所在的这个世界,我们周围的世界,所看到的任何物体材料及一切事物,它们都有一定的厚度,是3D(三维)物体,这也是自然界的一个最根本的原则。我们几乎找不到只有一个原子厚度的东西,所以大家都会说任何东西都是三维的。如果是还处于分子与原子层面的物质,你看它都会慢慢这样发展和生长,慢慢会变成三维结构。

也就意味着在实践当中,我们其实可以这样思考,我们所做的一些实验是在低于凯发体育app苹果手机生长的温度下,提取一片原子宽度的凯发体育app苹果手机烯,这是有可能的。之前没有看到过,99.9%的人也没有想到这些材料会存在。虽然非常难,当将这些材料放在一个空气湿度和室温都非常高的条件下,材料会被毁坏。我们可以做的就是从中提取出来一个很薄的平面,再去获得一个原子厚的晶体,这是非常完美的凯发体育app苹果手机烯提取方法。我们可以将凯发体育app苹果手机烯应用在现代技术,也可以应用在非常新的技术领域。

我们从这些环节当中学到什么呢?答案就是部分不总是和总体相似。很多时候,大家会觉得一个原子厚的材料与整个材料具有类似的性质。我们再看这种材料的性质,其实是非常惊讶的,我们可以看到有非常多的特性,比如说凯发体育app苹果手机烯是最强的材料,它也超过其他一些材料的特征,包括电导和热导等。还有一些加热的原子,很多时候它们或一些分子是无法通过只有1cm的材料,但是可以穿过凯发体育app苹果手机烯。我们主要学到的更少就是更多,这些2D的材料,不仅仅是代表它们3D的组成部分,而是它们本身可以带来不同的性质,一些极其特殊的性质。

我获得诺贝尔奖不是因为一些别的研究,只是在物理学上对于这种材料和它的一些电子特性的研究。这是一个非常大的研究领域,在全世界有非常非常多,几百个、几千个研究组在研究这些材料,主要涉及如何将这些材料带到了生活中。我也有一些有关电流如何在这些材料当中穿过或者运动的研究,这非常振奋人心,更加振奋人心的就是从物理学角度去认识它。

未来将属于二维材料时代 | “凯发体育app苹果手机烯之父”海姆讲述二维材料发展

我给大家举一个例子,从物理学角度来看这些材料有着怎样非一般的特性。大家都知道,我们生活在一个经典物理的世界中,如果有汽车撞到墙的话,大家都知道结果是什么,基本上是车毁了。大家知道原子在不同的时期,都遵循着量子力学的规则。那么在这样量子世界,我们可以想象有一辆量子车,它具有一些穿过电子层的特征,会产生一种量子隧道效应 的现象。这个车是否能穿过,取决于障碍物的宽度,还有车本身,但整个凯发体育app苹果手机烯电子测距来讲是非常不一样的,它与量子世界非常不一样。

在这个世界上,它经常与粒子物理有关,有时候人们对一种现象十年前就比较熟悉了,但是不太可能去验证这些现象。这些现象告诉我们的是什么呢?我们生活在一个遵循量子规则、小粒子以光的速度来运行的世界。而在这样的宇宙过程当中会发生什么呢?我们遵循这个自然法则建一个汽车,无论障碍物有多高、多宽,我们的汽车都可以穿过。这种现象是一种日常现象,它解释了为什么凯发体育app苹果手机烯有着超高的导电性。虽然,在凯发体育app苹果手机烯当中有很多的障碍物,但电子其实可以穿过,基本上不会意识到这些障碍物的存在。这是一个简单的概念,这些材料可以带给我们几百万个非常独一无二有趣的现象。

这种非常薄的材料具有非常好的性质,在过去10-15年这个领域的发展情况其实不止如此。通过不断地细化凯发体育app苹果手机烯结构遵循这些原则后,我们发现凯发体育app苹果手机烯表现的现象并不是一个单一的存在,还有其他的一些材料具有类似的性质。在发现凯发体育app苹果手机烯一年之后,我们发现至少有几十个其他的材料,只有一个原子或者一个分子这么厚。当时是2005年,而十年之后我们就知道现在已有几百个甚至几千个不同的材料,当然全球还有非常大量的研究已经发现这些材料有哪些有趣的应用。所以,我们看到了这个材料的变革,这就是2D材料革命。15年前,我们不仅仅不知道这些材料可以存在,甚至主动认为这些材料是不可能存在的。

如果这还不够的话,还有另外一些关于凯发体育app苹果手机烯和这些材料的讨论。如果大家有实验室,实验室中有一个原子或一个分子的材料,那么你会对这些材料进行一些实验,想要把它们合成到不同的厚度和其他完全新的东西。列如,合成一个3D的材料,但是现在是用一个原子的精度来做的,是原子材料的一种实验。

我们可以看到正六边形材料的研究很火热,但是我们看到每一种功能不同的六边形材料,是因为合成了不同的厚度。具体的例子,我们可以用材料去做什么,这是真实的图片,我们可以如何利用六边形的材料,每一个都是原子这么厚,它们不同的材料都是在这样一个单层当中,还会有半导体,整个会产生一种LED光屏,这个与屏幕上和手机上的LED采用了一样的原则,区别是可以做成非常薄、非常灵活以及非常坚固的电子学材料,而且它是非常透明的。之后大家可以具体了解到。

当然,这些是非常小的学术成就,因为在工业应用上还需要继续做很多的研究。但是大家知道这个图片,它其实是70年前的一个传输器,它非常丑,在当时用作原理展示。那么在60年之后,凯发体育app苹果手机烯就让电脑的芯片或者是我们的手机、电脑运转,我们也可以期待这些六边形材料,可能是在30、40或50年以后,为我们未来带给什么。

最后我会讲到我们的应用,当然当我们研发新的材料之后,我们会想到怎么用这些材料,特别是当你得到像凯发体育app苹果手机烯这样具有多种超级性能的材料之后,你经常会有很多的想法。全世界已有几千个公司在开展工作,想要将凯发体育app苹果手机烯产业化。有很多大的企业投入到凯发体育app苹果手机烯产品的生产中,例如中国的华为公司,以及其他都想应用凯发体育app苹果手机烯产品的公司。另外,还有学术的研究,科幻作家,还有一些小说家,他们也在想,凯发体育app苹果手机烯实验会带来什么样的结果,他们有时候会有一些预测非常远,视野非常大,非常难判断那些是不是现实的预测。还有一些非常前沿的预测,可能在几年以后会实现。当然我们有各种各样的实验,来看未来应用的2D材料。

(播放视频)

这个宣传片展示了该公司的一些愿景,他们想要一些非常灵活的、透明的电子产品,这些可以通过2D材料进行制作。这是一些例子,还有之前的LED,这样一种透明的应用,也不再是一种科学、科幻。现在已经是非常接近与商业应用,公司现在也在进行一些研究或者考虑,但是这也是出现未来20年甚至更远。现在正在到来的,可能是需要电脑、软件和写一些程序,几年之后就会成为几十万的富翁,但是对于2D材料的发展需要更长的时间,慢慢进入我们的生活。

再看一些有关现在进展的例子。我们看到这个材料已经开发了10多年,现在有一些含有凯发体育app苹果手机烯的消费者产品,你可以在互联网或者在商店买到。那么,在凯发体育app苹果手机烯几个之最的特性当中,你可以看到很多凯发体育app苹果手机烯的特性,最终能把它转变成消费产品。现在已经有可以用在电池上面的凯发体育app苹果手机烯降温技术,或者添加了凯发体育app苹果手机烯的电池,因为用凯发体育app苹果手机烯电池产的热量减少很多。比如在充电方面,这种电池也比普通的电池快5倍。

举另外一个例子,如果我们把凯发体育app苹果手机烯放在跑鞋当中,那么跑鞋的寿命能够延长40%,对大部分人来讲,没有太要紧。但是对于运动员来讲,40%的意义是很显著的,因为他们经常大量运动,普通运动鞋可能一两周就磨损了。所以我们希望以后这种鞋子可以量产。再举另外一个跑车的例子,我们对这种跑车的材料用一种复合材料,用凯发体育app苹果手机烯把它进行改进加强,那么这些未来的汽车当中,它就会拥有这样的特性,因为有凯发体育app苹果手机烯的成分,那么它就更加坚固,更加抗冲击。那么,2D材料的可用范围特别广,可以用到无数的领域。而未来这些领域,也可以生产消费者需要的产品。

今天给大家讲的故事当中,我们要收获到的一点是什么呢?正是因为出于好奇心,我在50年前开始注意到2D材料,我相信在未来你会感受到更多这个领域的研究与应用。所以,我们还没有完全进入2D材料时代,它完全是一种全新的材料。那么这些全新材料在几年前大家都还不知道,我相信这些材料未来成为我们的工具箱中一员,基于这个基础上,我们还可以做更多的开发与研究。

非常感谢大家的聆听,谢谢大家!

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