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从“磁悬浮青蛙”到“手撕石墨烯”——安德烈·海姆(Andre Geim)

发布时间:2021-03-12

悬浮青蛙的原理用diamagentic material,这种材料的磁化方向与外磁场方向相反。不仅有悬浮青蛙的实验,还有悬浮草莓和水滴的实验,有兴趣可以搜一下视频。


这些被悬浮的东西里面都有水。没错,就是水这种材料让他们可以悬浮起来。


比水更强一些的diamagnetic material是石墨。于是这种材料可以非常简单地悬浮起来:


1958年,海姆出生在俄罗斯索契市的一个犹太家庭,以很正常的速度,于1987年,在俄罗斯科学院固态物理研究所获得博士学位后,海姆在科学院下属的微电子技术研究所找了一份临时工,成为一名普通的研究员。


在读博期间,海姆(跟着导师)进行的研究都是那些“low到爆”的课题,比如他的博士论文《通过螺旋共振法研究金属中运输松弛的机制》,这些在他开始博士生涯的十几年前就已经没落了。但是,经历了这些(痛苦)之后,海姆也学到受益终身的东西,就是“以后我的学生,我打死都不会让他们去研究那些已经死了很久的课题!”


在科学院的那份临时工,海姆也是异常艰辛,用了整整一年的时间,才与导师彻底脱离了学术上的关系。后来便开始了“各地流浪”的生活。海姆辗转在英国诺丁汉大学、巴斯大学以及丹麦哥本哈根大学之间,主要的研究方向是介观物理,包括二维电子气体,量子点接触,共振隧穿,量子霍尔效应等。


如此频繁换工作的海姆,除了是想尝试更多新的研究领域,还有一个很重要的原因,就是:赚的钱太少了,生活艰难,大写的穷啊!


终于在1994年,此时已经发表了足够多的优质论文,以及参与了很多学术会议的海姆,终于找到了一份正式工作:荷兰奈梅亨大学副教授,而且还拿到了研究经费,海姆表示:终于可以愉快地做研究了!


很快,海姆就陷入磁悬浮的魔力当中。在奈梅亨大学的实验室里,有个强大的超导磁铁,能够产生20特斯拉的磁场,然而,当时海姆所进行的研究介观超导只需要极其微弱的磁场(小于0.01特斯拉),根本用不上如此高大上的仪器,实验室里负责这些仪器的研究员就更加用不上了。


研究员:有这么好的仪器跟这么优秀的我们,你竟然不用!


久而久之,海姆看着这些研究员,莫名感到有些愧疚,觉得应该将这些强大的电磁铁用起来。而这仪器有一个很明显的优势:它可以在常温下工作,不需要像其他超导磁铁那样需要冷却到液氦的温度。然而,这个在一般人看来,根本不算优势!因为大部分的凝聚态实验都是需要在极低温的环境下进行的。


正当同事们都在苦恼的时候,海姆偶然间灵光一现,想起许多年前一直以失败告终的“磁化水”实验,想着:“如果磁化水效应真的存在,那么20特斯拉的强磁场应该可以产生比0.1特斯拉的普通永久磁铁明显得多的效应。”于是,在某个星期五的晚上,


海姆终于忍不住向实验室泼水了!只见他将水倒进了实验室正在产生巨大磁场的仪器里。


结果,在场的所有人都震惊了,包括那些一辈子都于磁场打交道的研究员,还以为这是在搞什么恶作剧!因为,倒进仪器里的水,竟然没有流出来,而是悬在磁铁的中心!


悬浮水滴背后的物理原理:水存在微弱的逆磁效应,如果在外加磁场强度为B的时候,水就能产生0.00001*B的磁场来抵抗它。


研究员们之所以震惊,是因为水的磁性要比磁铁的磁性弱10亿倍,竟然也抵消掉了水的重力。海姆还用木棍去搅动这些水,有时又改变一下磁场的强度,看着这些水在磁场里抖来抖去,觉得有趣极了,就这样,玩了一个多小时。


在接下来的几个月里,海姆像上瘾了似的,无论是谁出现在实验室,他都要亲自展现一遍“磁悬浮水滴”。再后来,海姆直接将一只青蛙丢了进去......然后,青蛙身不由己地“飞了起来”...


因为这只青蛙,海姆一炮而红,于2000年,获得了“搞笑诺贝尔物理学奖”,并且在颁奖那天,海姆非常兴奋地去领奖了!


在颁奖现场,海姆一如既往地忍不住演示了一遍青蛙如何飞行起来,完事后还可以若无其事地回到田间吃蚊子。


这个实验还被评为了18年来“搞笑诺贝尔奖”最受欢迎的十大成果之一,现在,这一原理也被收入国外一些大学的物理课本中。


有了第一次,就会有第N次,海姆继续向其他动物“下手”,他看着壁虎能够飞檐走壁,便模仿壁虎爪子的结构,研究出了一种有着极小绒毛的材料,这种材料仅是1cm²就能支撑1kg的重量。


后来,科学家们在海姆的基础上,研制出了名副其实的“壁虎手套”,成功实现飞檐走壁。


上面有提到,被导师虐了好久的海姆,如今为人师,一不小心也走上了虐学生的道路。


自“磁悬浮水滴”之后,在每个星期五的晚上,海姆都莫名想要做一些不符合常规的实验。


正值海姆在研究石墨,经过深入的文献调研后,海姆想要看看倘若制成了仅有一层的石墨薄膜,会不会又出现石墨奇迹呢?


石墨的晶体结构:层与层间相邻碳原子之间以范德华力(分子间作用力)相连,因此石墨片层之间容易滑动,石墨晶体容易裂成麟状薄片。


于是,他就把一块厚度约几毫米,直径3厘米的人造石墨,和一台高级抛光机,扔给了学生姜达,让他去把这块石墨磨到最薄。经过几个月的打磨,姜达终于将石墨磨到了自己的极限,心满意足地将成果交给导师海姆。


然而,海姆拿着显微镜看完之后,非常不满意:“这也太厚了吧,足足有10微米!”


这时,一位同事刚好在摆弄已经扔到垃圾桶的胶带,海姆又是灵光一现,立马捡起一片胶带,用显微镜观察,发现胶带上的石墨竟然比姜达用抛光机磨了几个月的都薄!!!


石墨是一种常用的STM(扫描隧道显微镜)基准样品。而人们制作STM的样品时,都是用胶带把石墨表层撕掉,从而露出一个干净新鲜的表面来供STM扫描。


然而,用完的胶带都直接扔垃圾桶了,从来没有人观察过胶带上的石墨。


既然这样,实验室的抛光机就等于报废了,海姆便开始每天拿着石墨、玩胶带:粘了又撕,撕了又粘。然后,只有一个原子厚度的石墨烯就出来了!


石墨烯(Graphene),又名“黑金”,既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料,如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。


石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。就这样,海姆成为了世界上第一个得到石墨烯的人。其他一票科学家,看着海姆用胶带撕出来的石墨烯,再看看自己实验室那些精密的仪器,内心还真是无比复杂啊。


而这项研究成果,也直接让海姆走上了真正的诺贝尔领奖台。


于2010年,由于率先做出石墨烯,并测试了其物理性能海姆被授予诺贝尔物理学奖。


尽管这几年来,很多人就在讨论说石墨烯的研究很可能是诺贝尔奖的大热门,但海姆还是从来都没想过自己会得奖。就算诺奖公布的前一天,他也毫不在意,继续工作到深夜,安心睡觉。第二天起床后,压根儿没想过自己会拿奖的海姆就一脸懵逼地接受了诺奖的采访。


不过,海姆还是很淡定的,他说:“其实,获奖并没有什么,我还是会继续努力工作,继续平常生活,继续用玩游戏的心态做研究。”


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