很高興受邀參加這個專題論壇。在這個論壇中，我特別希望能給科幻貢獻一點點科技力量。10到15年前，很多科學(xué)還停留在科幻層面。我想從物理學(xué)與材料學(xué)的角度，給大家來介紹一下在這個領(lǐng)域現(xiàn)今研究最火的一些材料。

人類的文明從四千前開始發(fā)展，從瓷器時代到青銅時代，再到鐵器時代，每個時代都有一種材料來代表當(dāng)時的發(fā)展。我們現(xiàn)在生活的這個時代，就是塑料與硅的時代，這也是現(xiàn)今我們文明的代表性材料。那么一個簡單的問題，不僅是從科幻的角度，我想每個人都會感興趣未來會發(fā)生什么，下一步會是什么呢？有哪些材料出現(xiàn)，幫助我們改善生活，讓如今的文明更好地發(fā)展呢？

我想說未來的一個時代是二維材料的時代，那在未來一百多年甚至一千多年，這種材料在我們的生活中起什么樣的作用呢？在回答那些問題之前，我先跟大家講一些我個人的故事，有關(guān)于我的好奇心，我相信年輕人應(yīng)該明白怎么去做，我希望我的故事對大家有所啟發(fā)。這些故事講述了我們?nèi)绾伍_始這項研究，以及我如何發(fā)現(xiàn)了這些二維材料。

20多年前，我獲得了終身教授的資格。有時候做科研會比較枯燥，所以我會做各種測試，希望根據(jù)一些科幻或自己的好奇心去找一些比較新穎的材料與物質(zhì)，好進一步研究。當(dāng)時，我做過的一個實驗是什么呢？這個實驗現(xiàn)在已經(jīng)廣為人知，也比較受人歡迎。但當(dāng)時那個實驗并不是我預(yù)期去做的，也沒有一個人會想到做這樣的實驗。

當(dāng)時在荷蘭，我們用超強磁場的設(shè)備在做一些實驗。其中有些設(shè)施，大家對它們的利用率不是很高，但設(shè)備不用也會慢慢老化。所以，我開始想用這些設(shè)備能做些什么，為什么不做一些實驗?zāi)兀慨?dāng)時出于好奇心，我想知道把水倒在強磁場中會發(fā)生什么呢？因為我學(xué)了很多年的物理學(xué)，也知道一些常識，比如我們經(jīng)?？梢再I到小的除垢器，據(jù)說按上這個除垢器之后，可能過幾天或者幾周后，水垢就會消失了。所以，我在想如果這種有磁力的水真的存在的話，為什么我們不進一步澄清背后的物理現(xiàn)象，了解的更清楚呢？

所以，我就想強磁場設(shè)備與其放在一邊老化不如利用起來，于是我把水倒到了強磁場設(shè)備中。一般從科學(xué)家角度，大家會驚訝用這么昂貴的設(shè)備做這樣的實驗。當(dāng)時我把水倒進去之后，你會看到視頻上有一個水滴懸浮著，而且它發(fā)出這樣的顏色，就好像是反磁力一樣。在這個空間里面，它的磁力和引力好像消失一樣，就如同在宇宙飛船中消失了磁力引力一樣。

當(dāng)時，水產(chǎn)生了逆磁效應(yīng)，其實它只是抗磁性。這非常簡單，每個人、每件物體，其實都有一定的磁性，但是因為這種磁性和磁力比較小，所以沒有人留意到。所以，我和當(dāng)時的同事都很吃驚，那么多年來，大家從來沒有想到這個磁力是無處不在。后來，因為一些其他的想法我們又做了一些實驗。除了水在高磁場當(dāng)中，我們還可以把什么東西放進去做實驗?zāi)?？最后我們發(fā)現(xiàn)什么東西放進去都會浮起來。慢慢我有了這些想法，有沒有別的東西放進去也可以浮起來呢？所以我后來拍了這段短片，這是20年前我做的實驗當(dāng)中這是最難的一個實驗，因為當(dāng)時想把青蛙放進來，但是青蛙跳來跳去很難放進去?？赡芎芏嗳擞X得這是很簡單的一個實驗吧，但是簡單的事情，背后往往有一些收獲。當(dāng)我參加會議時很多人對我說，我認(rèn)識你，雖然我不知道二維材料是什么，但是我知道那個青蛙實驗。

所以，通過這種不同的實驗，我們就會知道更多地觀察我們生活的這個世界和周遭，其實很多東西并非如生活中所見不到。我在遇到很多事情時，都會想能不能從中研究一些東西，從現(xiàn)象中學(xué)到一些東西。我也是這樣去思考自然界的很多事情。

所以我后來看到壁虎，中國也有很多壁虎，那我從壁虎身上學(xué)到了什么呢？壁虎可以完全在墻上爬，但依賴的是一種非常簡單的機制。壁虎的腳爪上面有很多細(xì)細(xì)的、特別小的絨毛，在這個尺度上這些絨毛的表面會產(chǎn)生一種力，這種力非常小，可能只有十分之一牛頓（N）。正因為這些細(xì)小的絨毛，所以壁虎可以把數(shù)十億的小絨毛利用起來，讓它們可以在任何墻體的表面爬行，比如在垂直的墻壁上爬行。當(dāng)時我就有一個想法，如果這么簡單的話，也許我可以在工作當(dāng)中，將這個尺度上的力作為一個研究方向。物理學(xué)中的研究一般比較復(fù)雜，但是也許在這個尺度的研究我可以考慮看看。

所以，后來我把這種方法與機制應(yīng)用到了一種膠帶上面，我們做了一種類似壁虎的膠帶，可以粘在玻璃和窗戶上。但是這種材料不可多得，后來我做了一點材料，就是它可以讓你像壁虎一樣，牢牢地粘在玻璃表面。我在德國的同事們，他們做了好大塊的材料，一手粘在玻璃上，可以完全懸空起來。這就是充滿好奇地觀察生活當(dāng)中的小事獲得的成果，這就是好奇心的重要性。

我的好奇心又把我?guī)У搅硗庖粋€領(lǐng)域，就是研究石墨烯。很多哲學(xué)家都說過，如果把材料不斷地分開，不斷地分離會發(fā)生什么呢？最后就會產(chǎn)生一種原子。物質(zhì)越來越微小，最后只剩下了原子，這是大自然當(dāng)中一個最小的可見結(jié)構(gòu)。所以我們把這種材料不斷地分離，不斷地一層一層分開，然后做各種實驗，就是為了把它里面最小的結(jié)構(gòu)給區(qū)分開和分離開。后來，我們有了這樣一卷膠紙，能把石墨烯最小的結(jié)構(gòu)分離出來了。石墨就是所有鉛筆組成部分，是鉛筆的筆芯。石墨很容易作出非常多的晶體結(jié)構(gòu)，如果你直接看它的表面看上去就像垃圾（黏在膠帶上的石墨）一樣，對吧？

這些步驟我都經(jīng)歷過和做過，在顯微鏡下面，你會看到這些石墨以及它的形態(tài)發(fā)生了變化，它的結(jié)構(gòu)你也看得很清楚。而且這些結(jié)構(gòu)當(dāng)中，有一些光可以透過去，而且有一些是透明的，光可以完全通過。如果你了解有關(guān)材料學(xué)、物理學(xué)最基本的知識的話，就會知道如果一種材料是透明的，這就意味著它會特別薄。所以，我們在做研究的時候就意識到，我們可以把石墨做到特別薄的程度。

那為什么我會對像垃圾一樣的膠帶上的石墨，產(chǎn)生這么大的興趣呢？因為有很多哲學(xué)家和科學(xué)家都會有不同的理論，那么我們?yōu)槭裁磿@個領(lǐng)域產(chǎn)生興趣呢？如果你看我們所在的這個世界，我們周圍的世界，所看到的任何物體材料及一切事物，它們都有一定的厚度，是3D（三維）物體，這也是自然界的一個最根本的原則。我們幾乎找不到只有一個原子厚度的東西，所以大家都會說任何東西都是三維的。如果是還處于分子與原子層面的物質(zhì)，你看它都會慢慢這樣發(fā)展和生長，慢慢會變成三維結(jié)構(gòu)。

也就意味著在實踐當(dāng)中，我們其實可以這樣思考，我們所做的一些實驗是在低于石墨生長的溫度下，提取一片原子寬度的石墨烯，這是有可能的。之前沒有看到過，99.9%的人也沒有想到這些材料會存在。雖然非常難，當(dāng)將這些材料放在一個空氣濕度和室溫都非常高的條件下，材料會被毀壞。我們可以做的就是從中提取出來一個很薄的平面，再去獲得一個原子厚的晶體，這是非常完美的石墨烯提取方法。我們可以將石墨烯應(yīng)用在現(xiàn)代技術(shù)，也可以應(yīng)用在非常新的技術(shù)領(lǐng)域。

我們從這些環(huán)節(jié)當(dāng)中學(xué)到什么呢？答案就是部分不總是和總體相似。很多時候，大家會覺得一個原子厚的材料與整個材料具有類似的性質(zhì)。我們再看這種材料的性質(zhì)，其實是非常驚訝的，我們可以看到有非常多的特性，比如說石墨烯是最強的材料，它也超過其他一些材料的特征，包括電導(dǎo)和熱導(dǎo)等。還有一些加熱的原子，很多時候它們或一些分子是無法通過只有1cm的材料，但是可以穿過石墨烯。我們主要學(xué)到的更少就是更多，這些2D的材料，不僅僅是代表它們3D的組成部分，而是它們本身可以帶來不同的性質(zhì)，一些極其特殊的性質(zhì)。

我獲得諾貝爾獎不是因為一些別的研究，只是在物理學(xué)上對于這種材料和它的一些電子特性的研究。這是一個非常大的研究領(lǐng)域，在全世界有非常非常多，幾百個、幾千個研究組在研究這些材料，主要涉及如何將這些材料帶到了生活中。我也有一些有關(guān)電流如何在這些材料當(dāng)中穿過或者運動的研究，這非常振奮人心，更加振奮人心的就是從物理學(xué)角度去認(rèn)識它。

我給大家舉一個例子，從物理學(xué)角度來看這些材料有著怎樣非一般的特性。大家都知道，我們生活在一個經(jīng)典物理的世界中，如果有汽車撞到墻的話，大家都知道結(jié)果是什么，基本上是車毀了。大家知道原子在不同的時期，都遵循著量子力學(xué)的規(guī)則。那么在這樣量子世界，我們可以想象有一輛量子車，它具有一些穿過電子層的特征，會產(chǎn)生一種量子隧道效應(yīng)?的現(xiàn)象。這個車是否能穿過，取決于障礙物的寬度，還有車本身，但整個石墨烯電子測距來講是非常不一樣的，它與量子世界非常不一樣。

在這個世界上，它經(jīng)常與粒子物理有關(guān)，有時候人們對一種現(xiàn)象十年前就比較熟悉了，但是不太可能去驗證這些現(xiàn)象。這些現(xiàn)象告訴我們的是什么呢？我們生活在一個遵循量子規(guī)則、小粒子以光的速度來運行的世界。而在這樣的宇宙過程當(dāng)中會發(fā)生什么呢？我們遵循這個自然法則建一個汽車，無論障礙物有多高、多寬，我們的汽車都可以穿過。這種現(xiàn)象是一種日?，F(xiàn)象，它解釋了為什么石墨烯有著超高的導(dǎo)電性。雖然，在石墨烯當(dāng)中有很多的障礙物，但電子其實可以穿過，基本上不會意識到這些障礙物的存在。這是一個簡單的概念，這些材料可以帶給我們幾百萬個非常獨一無二有趣的現(xiàn)象。

這種非常薄的材料具有非常好的性質(zhì)，在過去10-15年這個領(lǐng)域的發(fā)展情況其實不止如此。通過不斷地細(xì)化石墨烯結(jié)構(gòu)遵循這些原則后，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯表現(xiàn)的現(xiàn)象并不是一個單一的存在，還有其他的一些材料具有類似的性質(zhì)。在發(fā)現(xiàn)石墨烯一年之后，我們發(fā)現(xiàn)至少有幾十個其他的材料，只有一個原子或者一個分子這么厚。當(dāng)時是2005年，而十年之后我們就知道現(xiàn)在已有幾百個甚至幾千個不同的材料，當(dāng)然全球還有非常大量的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些材料有哪些有趣的應(yīng)用。所以，我們看到了這個材料的變革，這就是2D材料革命。15年前，我們不僅僅不知道這些材料可以存在，甚至主動認(rèn)為這些材料是不可能存在的。

如果這還不夠的話，還有另外一些關(guān)于石墨烯和這些材料的討論。如果大家有實驗室，實驗室中有一個原子或一個分子的材料，那么你會對這些材料進行一些實驗，想要把它們合成到不同的厚度和其他完全新的東西。列如，合成一個3D的材料，但是現(xiàn)在是用一個原子的精度來做的，是原子材料的一種實驗。

我們可以看到正六邊形材料的研究很火熱，但是我們看到每一種功能不同的六邊形材料，是因為合成了不同的厚度。具體的例子，我們可以用材料去做什么，這是真實的圖片，我們可以如何利用六邊形的材料，每一個都是原子這么厚，它們不同的材料都是在這樣一個單層當(dāng)中，還會有半導(dǎo)體，整個會產(chǎn)生一種LED光屏，這個與屏幕上和手機上的LED采用了一樣的原則，區(qū)別是可以做成非常薄、非常靈活以及非常堅固的電子學(xué)材料，而且它是非常透明的。之后大家可以具體了解到。

當(dāng)然，這些是非常小的學(xué)術(shù)成就，因為在工業(yè)應(yīng)用上還需要繼續(xù)做很多的研究。但是大家知道這個圖片，它其實是70年前的一個傳輸器，它非常丑，在當(dāng)時用作原理展示。那么在60年之后，石墨烯就讓電腦的芯片或者是我們的手機、電腦運轉(zhuǎn)，我們也可以期待這些六邊形材料，可能是在30、40或50年以后，為我們未來帶給什么。

最后我會講到我們的應(yīng)用，當(dāng)然當(dāng)我們研發(fā)新的材料之后，我們會想到怎么用這些材料，特別是當(dāng)你得到像石墨烯這樣具有多種超級性能的材料之后，你經(jīng)常會有很多的想法。全世界已有幾千個公司在開展工作，想要將石墨烯產(chǎn)業(yè)化。有很多大的企業(yè)投入到石墨烯產(chǎn)品的生產(chǎn)中，例如中國的華為公司，以及其他都想應(yīng)用石墨烯產(chǎn)品的公司。另外，還有學(xué)術(shù)的研究，科幻作家，還有一些小說家，他們也在想，石墨烯實驗會帶來什么樣的結(jié)果，他們有時候會有一些預(yù)測非常遠，視野非常大，非常難判斷那些是不是現(xiàn)實的預(yù)測。還有一些非常前沿的預(yù)測，可能在幾年以后會實現(xiàn)。當(dāng)然我們有各種各樣的實驗，來看未來應(yīng)用的2D材料。

（播放視頻）

這個宣傳片展示了該公司的一些愿景，他們想要一些非常靈活的、透明的電子產(chǎn)品，這些可以通過2D材料進行制作。這是一些例子，還有之前的LED，這樣一種透明的應(yīng)用，也不再是一種科學(xué)、科幻?，F(xiàn)在已經(jīng)是非常接近與商業(yè)應(yīng)用，公司現(xiàn)在也在進行一些研究或者考慮，但是這也是出現(xiàn)未來20年甚至更遠。現(xiàn)在正在到來的，可能是需要電腦、軟件和寫一些程序，幾年之后就會成為幾十萬的富翁，但是對于2D材料的發(fā)展需要更長的時間，慢慢進入我們的生活。

再看一些有關(guān)現(xiàn)在進展的例子。我們看到這個材料已經(jīng)開發(fā)了10多年，現(xiàn)在有一些含有石墨烯的消費者產(chǎn)品，你可以在互聯(lián)網(wǎng)或者在商店買到。那么，在石墨烯幾個之最的特性當(dāng)中，你可以看到很多石墨烯的特性，最終能把它轉(zhuǎn)變成消費產(chǎn)品?，F(xiàn)在已經(jīng)有可以用在電池上面的石墨烯降溫技術(shù)，或者添加了石墨烯的電池，因為用石墨烯電池產(chǎn)的熱量減少很多。比如在充電方面，這種電池也比普通的電池快5倍。

舉另外一個例子，如果我們把石墨烯放在跑鞋當(dāng)中，那么跑鞋的壽命能夠延長40%，對大部分人來講，沒有太要緊。但是對于運動員來講，40%的意義是很顯著的，因為他們經(jīng)常大量運動，普通運動鞋可能一兩周就磨損了。所以我們希望以后這種鞋子可以量產(chǎn)。再舉另外一個跑車的例子，我們對這種跑車的材料用一種復(fù)合材料，用石墨烯把它進行改進加強，那么這些未來的汽車當(dāng)中，它就會擁有這樣的特性，因為有石墨烯的成分，那么它就更加堅固，更加抗沖擊。那么，2D材料的可用范圍特別廣，可以用到無數(shù)的領(lǐng)域。而未來這些領(lǐng)域，也可以生產(chǎn)消費者需要的產(chǎn)品。

今天給大家講的故事當(dāng)中，我們要收獲到的一點是什么呢？正是因為出于好奇心，我在50年前開始注意到2D材料，我相信在未來你會感受到更多這個領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。所以，我們還沒有完全進入2D材料時代，它完全是一種全新的材料。那么這些全新材料在幾年前大家都還不知道，我相信這些材料未來成為我們的工具箱中一員，基于這個基礎(chǔ)上，我們還可以做更多的開發(fā)與研究。

非常感謝大家的聆聽，謝謝大家！

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