用膠帶撕出諾貝爾獎

文/李名揚 提供/科學人

2010年諾貝爾物理獎頒給英國曼徹斯特大學的蓋姆(Andre K. Geim)和諾佛謝洛夫(Konstantin S. Novoselov),原因是他們於2004年首先分離出單層的石墨烯(graphene),並進行了許多相關研究。

石墨烯是碳原子以六角形排列組成的單原子層平面結構,具有高導電性、高透光率,並且極為堅韌。自2004年以來,石墨烯已成為物理與材料科學界的顯學,許多學者爭相投入相關研究。中央研究院於11月15~16日舉辦「石墨烯、奈米碳管的最近發展與奈米材料的超快現象」國際研討會,特地邀請到石墨烯發現者之一的諾佛謝洛夫與會。

諾佛謝洛夫曾是蓋姆的博士生,年僅36歲,是1973年英國的約瑟夫森(Brian David Josephson)以33歲之齡得獎後,近37年來最年輕的物理獎得主。諾佛謝洛夫此行除了在中研院及清華大學各舉行一場演講外,還特地抽空接受《科學人》專訪,暢談他的學習與研究歷程。

幸運留給有準備的人

對於諾佛謝洛夫能以如此年輕的年紀榮獲諾貝爾獎,外界最好奇的,莫過於當初石墨烯是怎麼做出來的?

這得從充斥現今社會的各項電子產品說起。電腦、手機等絕大多數電子產品的核心皆是電晶體,主要材料是矽。然而矽受限於材料的特性,電流傳輸效率不佳,因此許多科學家都希望找出矽的替代物,例如鍺、砷化鎵等。理論上石墨烯具有非常優異的導電性,但是絕大多數人都認為石墨烯在室溫下不可能穩定存在,於是喜歡搞怪的蓋姆和他的一群學生(包括諾佛謝洛夫在內)就在他們定期舉行的「星期五黃昏實驗」(Friday evening experiments)挑戰這個「不可能」,當時是2003年。

石墨是由許多平面碳原子結構在垂直方向以凡得瓦力結合在一起而成的層狀塊材,理論上,必須做出很薄的薄片,才有機會成為取代矽的材料。蓋姆先要求一名學生以很高級的拋光機打磨,但是磨了三星期,卻只能磨出10微米厚、相當於1000個碳原子厚度的薄片,這樣的結果讓他們幾乎放棄這個構想。

但說也真巧,就在此時,他們看到有位技術人員正在測試一台掃描穿隧顯微鏡(STM),需要觀測樣本,而最好的樣本正是很容易碎成小塊的石墨。這名技術人員用膠帶黏貼石墨來清潔石墨的表面,其實這是蓋姆和諾佛謝洛夫早就知道的標準作業程序,但這樣的動作在這個節骨眼發生在他們眼前,卻被賦予了完全不一樣的意義,「我們只看了一眼,馬上知道『就是這個』!」於是蓋姆和諾佛謝洛夫立刻開始用膠帶反覆黏貼石墨再撕開,使殘留在膠帶上的石墨越變越薄。

「我們真的非常幸運!」諾佛謝洛夫指出,他們將經過多次處理的膠帶黏到基板上,然後撕下膠帶,讓石墨薄片貼在基板上,用肉眼觀察,只試了幾種基板,就發現當石墨薄片貼在氧化矽上時,在某些角度的光線照射下,可以憑肉眼看出來;接著他再用顯微鏡觀察,只花了不到一小時,就知道自己成功撕出了僅幾個原子厚的石墨薄片,而這距離他們開始動手撕,也才不過幾天而已。

不過要到幾個月後,他們才真正知道自己有多麼幸運,因為他們後來使用很多種基板來測試,都看不出基板上是否有石墨薄片,原來是因為石墨薄片非常薄,若和基板之間的色差太小,就無法以肉眼初步鑑定是否成功,並決定下一步。此外,他們還發現基板和石墨薄片之間的作用力,也是成功的重要關鍵。換句話說,他們幾乎是在一開始就碰巧找到了正確的基板材料——氧化矽,「這純粹是幸運,但即使沒有這種幸運,我相信我們仍能成功,只是時間會稍晚一點。」諾佛謝洛夫如此表示。

確認石墨可以用膠帶撕成薄片後,蓋姆和諾佛謝洛夫又持續撕了一年,才撕出單層的石墨烯。諾佛謝洛夫表示,他們在這一年中的工作,雖然每一次都沒有撕出石墨烯,但他認為「每一次嘗試都是成功的」,因為每一次的工作都對後來的成功有所貢獻,都可視為後來成功的關鍵因素之一。在這個過程中,他們也從來沒有想過要放棄,因為「我們並不是為了得獎才做這個實驗,而是我們想做。如果我不喜歡做,自然就會放棄。」

有趣,就該與人分享

蓋姆和諾佛謝洛夫在2004年撕出石墨烯之後,引起各界注意,許多學者紛紛向他們索取樣本,而他們也非常慷慨地廣泛贈予。諾佛謝洛夫指出,石墨烯是全新的領域,其中有太多新的學問可以研究,沒有任何一間實驗室可以獨力完成。他們為這領域起了一個頭,只要跟其他有興趣的科學家分享研究成果,吸引更多人一起來研究,就可以得到更好的成果;若只想把自己的研究成果藏起來,不讓其他科學家參與,這領域的發展很容易就會遇到瓶頸。

此外,在學術同儕的交流之下,自己的研究也會更進步。蓋姆和諾佛謝洛夫在製造出石墨烯之前,其實並沒有認真做過跟碳有關的研究,因此必須從頭開始發展所有的技術,並且閱讀大量文獻。諾佛謝洛夫表示,他很喜歡跟別人討論石墨烯,「當你跟別人分享你的實驗成果時,別人也會分享他的,這樣對彼此都有幫助。」

事實上,從2004年至今,與石墨烯有關的學術論文已經超過6000篇,並已朝向應用領域發展,蓋姆及諾佛謝洛夫的樂於分享功不可沒;也正因為如此,他們才能在石墨烯製造出來短短六年之後就獲得諾貝爾獎。

不過對諾佛謝洛夫來說,比得獎更重要的是「有趣」。由於石墨烯是跨領域的研究,他們做了許多以前沒有做過的實驗,有很多未知的因素,而他非常享受這種實驗的樂趣。他指出,一個新的領域出現後,若要吸引學者轉行來投入,必須提供比他們現有研究有趣十倍的東西,如果只有兩倍,他們是不會轉行的。從2004年至今,已經有這麼多的學者投入石墨烯的領域,顯示石墨烯確實是非常有趣的研究。

令人著迷的星期五黃昏實驗

全心全力投入自己感到有趣的事,是諾佛謝洛夫從小養成的習慣。他出生於俄羅斯中西部的下塔吉爾(Nizhny Tagil),從小特別喜歡物理,14歲就立志大學要讀物理系。高中時他遇到一位非常好的物理老師,不但鼓勵他廣泛閱讀各種物理書籍,還讓他自由使用物理教室的儀器設備來進行各種實驗;後來這位老師更送他去參加奧林匹亞競賽,可惜在競爭激烈的俄羅斯,他雖然在地區競賽得獎,卻還是差了一點,沒能入選國家代表隊。

此時的諾佛謝洛夫尚未決定將來要當工程師或科學家,但他每天都在做各種物理實驗,深深為物理所著迷。進大學後,他的思想更是天馬行空,絲毫不受局限,每天都在解決各種物理問題、研究新的課題,「都是我最喜歡的事情」。直到現在,研究仍是他的最愛,連假日都經常泡在實驗室,不過他特別強調:「我不是工作狂,我只是樂在其中!」

大學畢業並工作兩年後,諾佛謝洛夫進入荷蘭的尼美根大學深造,在那裡遇到了對他這輩子影響最大的恩師──蓋姆,諾佛謝洛夫說「蓋姆不只教我物理,也擴展了我的眼界,指引我如何研究科學。」事實上,蓋姆是個非常特別的人,不但聰明絕頂,而且工作非常勤奮,「我從來沒有見過像蓋姆這麼勤奮的人。」

除此之外,蓋姆也是個喜歡異想天開的人,但他不是空想,而會設法把各種想像動手做出來。他的實驗室成員會在每個星期五進行「星期五黃昏實驗」,專門做一些稀奇古怪而且不需要用到貴重儀器的實驗。他曾經在1997年設法將一隻青蛙全身磁化,然後放進磁場中,讓青蛙懸浮在半空中,這項實驗讓他獲得2000年的搞笑諾貝爾獎,他也是至今唯一先後獲得搞笑諾貝爾獎和諾貝爾獎的人。

諾佛謝洛夫愛極了星期五黃昏實驗,實驗的遊戲規則是只能用雙手或一些簡單的儀器設備,並且要能在一、兩週內完成,其中許多實驗不一定有什麼目的或用處,最重要的是「實驗必須有趣,我們從來不做無聊的實驗。」他們實驗了許多瘋狂的點子,例如讓他們獲得諾貝爾獎的石墨烯、磁懸浮青蛙、已經量產的壁虎膠帶(gecko tape),以及失敗的實驗如製造有超導特性的磁性水、將小水滴內部的電荷分離等。事實上,絕大部份的實驗都以失敗收場,但諾佛謝洛夫強調:「我在這些實驗中享受到做實驗的快樂。我對這些失敗實驗的喜愛,不亞於成功的實驗。」

至於哪裡來的這些瘋狂點子?諾佛謝洛夫指出,每個人都會對周遭的事物感到好奇,就連五歲的小孩都會問出像「為什麼壁虎可以爬牆?」這一類的問題,而對科學家來說,問題就變成「怎樣的材料才可以達成這樣的目的?」也就是在提問之外,還會想要自己去解答,「我們只是試著對每一件事好奇,更重要的是不要讓這些點子輕易跑掉,而且要能夠享受實驗的樂趣。」

把實驗當娛樂,從不需要休息

不論是在星期五黃昏實驗嘗試各種瘋狂的點子,或是挑戰陌生的石墨烯,都會有實驗失敗的時候。諾佛謝洛夫表示,他手邊隨時都會有好幾個實驗同時進行,當其中一個實驗失敗了,他不會輕言放棄,但會先把這個實驗放下,去做另一個,「很奇妙的是,」諾佛謝洛夫說:「實驗雖然放下來,腦子卻不會停下來,過幾天再回來重新試試看,也許就突然頓悟當時為什麼會失敗。」

可是若他發現實驗方向錯誤了,就會立刻放棄,並馬上接著做另一個實驗。難道他從不休息?對於這個問題,他的回答十分幽默:「我不知道什麼叫做休息。」因為對他來說,做實驗不是工作,而是娛樂。

不過現在他倒是想要脫離每天研究石墨烯的日子。他表示,自從2004年以來,他們幾乎所有的時間都在研究石墨烯,就連他最愛的星期五黃昏實驗,也大都跟石墨烯有關。雖然他很喜歡做石墨烯的各種實驗,但也非常懷念在此之前可以自由做各種瘋狂實驗的時光,因此他打算在未來受聘於新加坡大學之後,只用一半的時間繼續研究石墨烯,而另一半時間則要做一些其他領域的新研究,畢竟研究石墨烯雖然重要,但「對我來說,做我自己喜歡做的事才是最重要的!」對於未來想進行哪些實驗,他不願透露,只說「都是一些瘋狂的實驗。」

至於為何選擇到新加坡發展?諾佛謝洛夫表示,主因是新加坡的學術環境很好,提供的研究經費又很充裕。他準備在新加坡做的實驗是在石墨烯上進行化學修飾,即讓石墨烯的碳原子鍵結一些其他原子,或是施以張力或摺疊石墨烯,再測量這些動作如何影響石墨烯電子傳輸的特性。

他認為亞洲很適合發展大面積石墨烯的製程與量產,例如韓國三星電子已經開發出用大面積石墨烯膜來製造觸控式螢幕的技術,預計2012年即可量產,他相信未來石墨烯的應用層面會越來越多。

忘掉諾貝爾獎,重新出發

潛力無窮的石墨烯讓諾佛謝洛夫年紀輕輕就獲得學術界的桂冠,但也讓他的生活變得一團亂,「我的生活變成這樣,都是你們媒體造成的!」他笑笑指出,得獎後很多科學社群都邀請他去演講或參加研討會,媒體也爭相採訪,但是「拒絕科學社群比較容易,拒絕你們媒體卻很難,因為你們都很堅持非採訪到我不可!」

他現在正努力忘掉得獎這件事,畢竟「一直想著這件事是很不健康的!」他也還沒有想到如何運用相當於2300萬元新台幣的諾貝爾獎金,「我最近太忙亂了,一直沒機會去想怎麼用這筆錢,但我相信我太太會有很好的規劃。」他現在只希望自己的生活盡量不要因為得獎而改變,而且他還打算推掉明年所有的研討會或演講邀請,盡量將時間留給實驗室裡的研究工作。

在1991年首度製造出奈米碳管(可視為捲成管狀的石墨烯)的日本物理學家飯島澄男,原本獲得諾貝爾獎的呼聲也很高,但在石墨烯出現、諾貝爾獎頒給石墨烯的兩位發現者後,他得獎的可能性已大為降低。「超車」的諾佛謝洛夫被問到對這件事的看法時,低調表示:「美國、日本有很多傑出的科學家,在碳材的實驗上都有很大貢獻,包括奈米碳管和石墨烯。我相信這些科學家都會受到應有的肯定,但會是什麼樣的肯定,我無法回答。」

在得獎之後,諾佛謝洛夫最常被問到的問題之一是「你成功的條件為何?」他對此表示,要在物理上有所成就,除了需要有一定程度的聰明才智之外,還必須非常努力工作,他以自己和蓋姆為例指出:「我們幾乎把所有的時間都拿來做研究。」

不過比起這些外在條件,更重要的是內心因素:「做自己喜歡的工作,是唯一的成功之道!」諾佛謝洛夫說,他絕對不會鼓勵所有人都來研究科學、研究石墨烯,因為並不是每個人都喜歡做這些事,「若不喜歡自己在做的事,就不會成功。」

至於已經打算進入科學領域的學生,該選擇基礎科學或應用科學才比較有發展前景?諾佛謝洛夫並沒有正面回答這個問題,而是舉例指出:「電腦並不是比爾蓋茲發明的,電腦在一開始,是學物理和學工程的人同心協力發展出來的,若沒有那些物理學家、化學家或材料工程師,就不可能發展出現在的電腦。」他認為把眼光放遠的話,基礎科學的研究對社會發展非常重要,而且依他個人的經驗,做基礎研究非常有挑戰性,也比較有趣,但他並不會建議學生該往哪條路走,因為他認為:「只有按照自己的興趣做出選擇,才是最好的選擇。」

(本文由科學人提供,原載於科學人2010年第106期12月號)

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