陈静石器时代、青铜时代、铁器时代……这些时代，以人们用于制造工具的材料命名。人类大步向前的历史，也是不断寻找新材料“为我所用”的历史。我们的时代，材料舞台上的“主角”是硅。脱胎于最不起眼的沙砾，硅最终被制成大大小小的芯片，控制着手机、电脑、服务器，成为信息时代的“心脏”。每18个月，芯片上可容纳的晶体管数量增加一倍，性能提升一倍，年击败国际象棋世界冠军的IBM“深蓝”超级计算机，计算速度甚至只有如今普通手机的几十分之一。这就是半个多世纪来屡试不爽的“摩尔定律”，它也代表着人类使用硅的水平与日俱增。但是，“摩尔定律”并非没有终点。毕竟，7纳米厚的晶体管，厚度只相当于几十个原子，如果厚度无限变薄，硅作为半导体的性质将完全消失。甚至有预测认为，“摩尔定律”的极限在年就将来临，迫在眉睫。不止是芯片。就像芯片由硅晶体管这样的器件组成一样，显示屏、信息存储、未来的量子计算……信息时代的“基础设施”们，都在期待人们能在原子尺度上寻找新的材料，发展新型的器件。这就是复旦大学物理学系教授、年“科学探索奖”获奖人凝聚态物理学家张远波的工作。推开他的办公室门，森林绿的墙面，实木铁艺的办公桌和书架，一辆山地自行车……比起凝聚态物理学家，这间办公室更像是属于时尚设计师。“我的目标是，探索新材料，发现新物理。”张远波期待神奇的二维材料能提供新的解决之道。张远波复旦大学物理学系教授年“科学探索奖”数学物理学领域获奖人获奖理由：肯定他在新型二维材料探索及其电学特性研究方面的贡献，支持他在强关联与拓扑二维材料的新物理和器件研究等方向进行探索。柳暗花明的“纳米铅笔”想象一下，把一个海绵球扔进墨水，如果球太小，内芯也会被染色。但如果扔进一块玻璃，哪怕非常薄，内芯却能始终保持透明。硅就像这个海绵球，因为它的表面总要和氧反应形成氧化硅，所以做成的晶体管不能无限小。而石墨烯其实就是单层碳原子构成的石墨薄片，尽管如此之薄，却因为不会和外界反应而能保持稳定。如果能用石墨烯制作晶体管，就有望将芯片密度进一步提升。年秋天，正在哥伦比亚大学攻读博士学位的张远波是年轻的导师PhilipKim招收的头三个学生之一，他开始尝试研究石墨烯：“那时石墨烯还只在理论上存在可能，没有人能真正分离出来。”最关键的困难是，怎么将普普通通的石墨，“剥”出只有一层原子厚度的材料。“我们平时用铅笔写字，其实就是把铅笔芯里的石墨剥离到纸上，这成了分离石墨烯的灵感来源，我们做出了非常非常小的‘纳米铅笔’，笔尖只有一两个微米大，用微机械手控制在硅片上‘写’，再用显微镜来寻找‘笔迹’里有没有石墨烯。”花了整整两年时间，张远波的“纳米铅笔”已经能“写”出30层原子厚的石墨薄片，石墨的性质此时已开始变化，张远波据此写出了自己的第一篇论文。他也和隔壁实验室的台湾姑娘谭砚文相识相知，年轻的恋人徜徉在纽约的大街小巷，家里现在还收藏着“”前两人去双子塔看艺术展的访客卡片。“一起看了好多电影节和艺术展，只是人家问起，一说我们是学物理的，天就聊不下去了。”张远波大笑。一切都“看上去很美”，直到张远波读到新一期《Science》上，英国曼彻斯特大学AndreGeim课题组的论文，对方抢在前面，做出了石墨烯。Geim和他的博士生Novoselov，甚至因此获得了年的诺贝尔物理学奖。“他们制备石墨烯的方法粗糙但有效，就是拿文具店里能买到的胶带去粘石墨，再去找有没有粘下来石墨烯。和‘纳米铅笔’比，我们是很精确地控制一个“笔尖”，他们是不精确地控制很多个，他们的方法胜出了。”张远波回忆道，“看到论文之前，我们完全不知道他们在做类似的工作，我和我的导师都非常沮丧。他当时正在申请长聘教授，还安慰我说，你总是能毕业的，我倒是那个真正要担心的人。”但打击之后，研究还要继续。张远波发现，对方虽然做出了石墨烯，但样品质量不高。凭借之前“纳米铅笔”的经验，可以继续优化制备方法，甚至从中发现新的物理。“当时实验室有几种来源的石墨，我们选定了一种认为最好的，但做出的石墨烯一直难以提升质量，后来突然想起，之前还买过另外一种石墨，尽管觉得它更‘脏’一些，还是试试看。没想到做出来在磁场中一测，样本的电阻是0，当时第一反应是，样本坏了，检查了一遍再测还是0。反复确认之后，我发现样品没有坏；这其实是一个全新的物理现象‘半整数反常量子霍尔效应’。赶紧存下数据发给导师，特别开心，我们终于做出了质量高很多的石墨烯。这让故事的结局还算圆满，Philip拿到了终身教职，我也顺利毕业。”今天回忆起“纳米铅笔”和之后的柳暗花明，张远波颇为感触：“做实验的时候一定要有冷静的判断。实验的“美”有它自己的规律，而不是凭自己的喜好或想当然所认为的精美或者粗糙。物理世界里，如果太偏执于自己的想当然，就会走很多弯路。”张远波在复旦科普活动上讲述他的工作二维材料的“新主角”自从可以被真正“造”出来，石墨烯一跃成为全世界科学家
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