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为什么安德烈•盖姆能发现石墨烯——2010 年诺贝尔物理学奖获得者安德烈•盖姆的研究方法【摘要】 科学方法就是人类在所有认识和实践活动中所运用的全部正确方法成功人士的成功从来都不是偶然的，他们都有我们值得学习的优秀品质，有给以我们启发的学习和研究方法本文探究 2010 年诺贝尔物理学奖获得者安德烈•盖姆的研究方法以及他有怎样的成功必备的品质通过探究这些方法和品质探寻作为学者应该学会怎样的的研究方法和追求什么样的科学精神关键词】安德烈•盖姆， 科学方法论，诺贝尔物理学奖北京时间 10 月 5 日下午 5 点 45 分，2010 年诺贝尔物理学奖揭晓，英国曼彻斯特大学二位科学家安德烈•盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁•诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）因在二维空间材料石墨烯方面的开创性实验而获奖石墨烯是一种由碳原子组成，只有一个碳原子厚度的二维材料它是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，导热系数高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率比纳米碳管或硅晶体还高，而电阻率世上最小石墨烯的应用范围广阔，根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等；根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力，可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。

另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂单层的石墨烯只有一个原子的厚度，一个普通的石墨铅笔芯，大约由 300 万层的石墨烯迭加而成，石墨烯被大部分物理学家认为只是假设性存在的，不可能在非绝对零度下稳定存在这种有望在现代电子科技领域引发一轮革命的材料的成功制备无疑是震惊世界的，那么，为什么发现石墨烯的是安德烈•盖姆呢？一、安德烈•盖姆博士是一位怎样的科学工作者安德烈·盖姆是荷兰公民，1958 年出生于俄罗斯索契1987 年从俄罗斯科学院固态物理研究所获得博士学位英国曼彻斯特 Meso-科学与纳米技术中心主任曼彻斯特大学物理学教授及皇家学会 2010 周年纪念研究教授盖姆是一位充满好奇心的有很多疯狂想法的科学家盖姆的研究小组有个习惯，就是把 10%的时间用在异想天开的实验，每个星期五晚上他们都要做这样的实验这些疯狂的实验，很多都没有什么结果，但是一旦有了发现，就可能是突破性的2000 年，搞笑诺贝尔物理学奖（一个由美国非官方人士评选的谐趣丛生的“奖项” ，通常在诺贝尔奖公布之前颁奖）授予了安德烈•盖姆和迈克尔•贝瑞，他们使用磁性克服了重力作用，使一只青蛙悬浮在半空中，像变戏法一样变出“飞翔的青蛙” 。

他们推测使用类似的方法可以试着克服一个人的重力作用，让他在半空中漂浮起来石墨烯的实验，也是星期五晚上实验中的一个盖姆还是一个勇于尝试前人没有做过的东西的人，他说自己当时想到要去制备石墨烯的一部分原因是那一段时间里，他关注碳纳米管那一拨人， “恶心”他们时不时地声称获得这样或那样的牛工作，他想做一点不同于碳纳米管的东西，暗想为什么不把碳纳米管剖开呢？最初的想法就是试着做一些类似碳纳米管的东西，尝试用抛光将石墨减薄，直至几层或尽可能地薄盖姆同时是一个谦逊而坚持的科学研究者，据《新世纪》周刊相关报道披露，盖姆说他的实验室里曾有一位来自中国的博士生，他最初是将这个实验交给这个新来的博士生的他买了一块高定向裂解石墨，请这位博士生制成薄膜，要求尽可能地薄，并给他一台精巧的抛光机让他研磨三周后博士生对盖姆说：“成功了 ”且给他看了一个培养皿，那个培养皿底部有一些石墨的小斑点盖姆用显微镜观察估计这些石墨碎片仍然有 10 微米厚，大概 1000 层左右，于是对博士生说：“能否将它研磨得更薄一点？”这位博士生说：“那我需要另一块石墨 ” 一块高定向裂解石墨的售价当时约 300 美元盖姆回忆说：“我当时向他解释时一定是不太礼貌，我说‘你不必磨掉整块砖头才指望获得一粒沙子吧。

’不料他同样有礼貌地回答道：‘如果你这么聪明，你自己试试 ’”盖姆就真的自己试了几个世纪以来,许多科学家都试图将石墨上的石墨烯层一层又一层的剥离下来，人们尝试了许多种方法，特别是化学剥离法，均以失败告终，导致许多人心灰意冷，1990 年左右一些物理学家用“微机械法”剥离石墨,获得了大约包含了 100 层石墨烯的石墨薄片，这已经是非常不容易的了盖姆没有因为博士生的失败就认为“将石墨片研磨得更薄一点”是不可能的事，他决定自己来解决这个问题，并且尝试用其他与以前不同的方法，这充分体现了他坚持和创新的精神二、安德烈•盖姆与同事怎样制备出石墨烯盖姆他们制备石墨烯的方法其实很简单，虽然简单而又特别，如果没有创新的思维是不会想到这样的方法的中国博士生失败后，盖姆让助手康斯坦丁•诺沃肖罗夫接手，研究小组当时引进了一位技术员来搭建低温扫描隧道显微镜，这位技术员清洁石墨样品表面的方法是用透明胶带把石墨表层粘掉这启发他们，如果不断地粘起、撕开，就可以得到更薄的薄膜，先在胶带上粘一小块石墨、折叠，然后再撕开胶带，薄片也随之一分为二屡次重复这一过程，即可将石墨减薄，最终得到单层的石墨烯这听上去，似乎原理很简单，谁都可以做到，但是实际上，如果不具备相当的知识基础和研究的耐心是不会成功的，这种“胶带撕拉法”的具体操作如下[1]：①在无尘的实验室中工作，空气中的尘埃和头发会严重地破坏石墨烯样片；②准备好氧化硅基片，在显微镜的观察下，用盐酸和过氧化氢的混合液清洗基片,使表面平整，把石墨薄片放在基片上；③用镊子将石墨薄片粘贴在约 15-16cm 长的塑料胶带上，然后将胶带折叠过来,粘在薄片的另一面上,将石墨薄片夹在中间，小心翼翼地将胶带和石墨薄片分开，石墨薄片会平稳地分成两片，厚度成为原来的 1/2；④重复第三步 10 次，不断地分割前一次得到的薄片,要十分精细的操作,把握住成功的机会；⑤将最后分离开来的石墨薄片样片及胶带放置在硅片上，用塑料夹具夹住，加压排除空气，慢慢地剥离开胶带；⑥将基片放置于 100 倍的显微镜下，可以看到大量石墨碎片，但极有可能得到少量水晶般的石墨烯。

通常石墨烯会隐藏于一大堆石墨残渣，很难得会如理想一般地紧贴在基板上，所以要找到实验数量的石墨烯非常困难盖姆发现，如果将石墨烯放置在镀有在一定厚度的氧化硅的硅片上，利用光波的干涉效应，就可以使用光学显微镜找到这些石墨烯从以上步骤中看出要成功制备必须遵守严格的条件，过程中要小心翼翼，并且重复多次十分精细的操作，通过精准的寻找确认，最后才有可能得到少量的石墨烯得到石墨薄片后，盖姆和他的助手并没有就此停止研究，诺沃肖罗夫是他们很快的测试了石墨烯的物理性能，证实了石墨烯的力、热、电、光性能都很好显然盖姆并不是为了制备石墨烯而制备石墨烯，他是为了发现石墨烯的性能，以及用他自己的话说“我们对它有所期待而尚未实现的可能性”来进行这个研究在获得诺贝尔奖后，盖姆和诺沃肖罗夫也没有打算停止研究，盖姆在接受采访时说，他一直在寻求这一领域的新起点三、为什么安德烈•盖姆能发现石墨烯从安德烈•盖姆本身到发现石墨烯的整个过程，我们不难发现，首先，盖姆是一个充满好奇心，有很多疯狂想法，勇于尝试前人没有做过的东西的人，于是他没有跟从盛行的“纳米管风” ，而是想到要去制备石墨烯；其次，盖姆有坚持的精神，他没有因为别人的失败以及大多数物理学家的理论而放弃，在别人不愿意再做的时候，他却继续尝试；然后，在尝试的过程中，盖姆和同事由于具备专业知识基础，非凡的创新精神，以及极大的耐心，通过一系列十分精细的操作制备并确认了石墨烯；最后，制备出了石墨烯后，他们没有停止研究，而是立刻确认了它的物理性能是否像理论上的那么好，并且十分关注它的应用前景。

在研究方法上，盖姆及其团队首先确立目标：制备更薄的石墨片其次他们思考及尝试制备的方法，第一次让一个博士生用抛光机研磨，失败后没有放弃，转而思考其他可行的方法，后来用“胶带撕拉法”进行试验他们运用自己的知识，通过反复尝试，制定详细的实验步骤和寻找确认目标物的方法最后通过一些实验验证发现的石墨烯的性能这样的研究方法，有目的性，符合理论规律，保证实验结果的客观性和可靠性，是一种科学的方法四、总结不管安德烈•盖姆自己有没有发现，我们可以肯定，之所以能获得这样的成就，得益于他自身的性格品质及正确科学的研究方法如果能学习并培养这样的优秀品质和精神，在平时的学习研究过程学会用科学的方法，我们也肯定能获得成功这也提示我们，如果在教育中注重科学精神和科学方法的培养，诺贝尔奖离我们中国人一定不远参考文献：[1] 王柏庐. 从对铅笔芯的探究荣获诺贝尔奖谈起[J]. 物理教学探讨, 2012, 30(449): 1-11。