2022 年搞笑諾貝爾獎（Ig Nobel Prizes）的得獎名單公布了，這些研究果然一如既往地令人訝然失笑，例如「失去尾巴而導致便秘是否會影響蠍子的交配？」、「人們會用幾根手指轉動不同尺寸的旋鈕？」、「從古馬雅陶藝罐上的圖案證明馬雅人用酒精等進行灌腸的儀式」、……等等。
這些研究看似荒誕，但研究者可都相當認真，而且他們從異於常人的角度發想，往往也帶來發人深省之處，而其實這也是搞笑諾貝爾獎最初設立的本意。事實上，過去就有一位搞笑諾貝爾獎得主，後來真的拿到了諾貝爾物理獎。
安德烈．海姆（Andre Geim）於 1958 年在俄羅斯出生，不過他的父母都是德國人。他於 1987 年自俄羅斯科學院的固態物理研究所取得博士學位後，留在俄羅斯科學院做研究，過了三年，他以訪問學者的身分前往英國待了半年。在英國做研究的這段期間，他所感受到自由開放的風氣讓他深覺「在蘇維埃糖漿中游泳只是浪費餘生」，因此寧可遊走歐洲各大學做博士後研究，也不願回俄羅斯。
漂浮的青蛙
1994 年，海姆終於在荷蘭的奈梅亨大學（Radboud University Nijmegen）獲得教職。只不過他之前研究的是微製造與光刻技術，但奈梅亨大學並沒有這方面的設備，倒是有強大的超導磁鐵，於是他乾脆轉而研究超導現象。
在正規的研究之餘，海姆突發奇想，據說磁化水可讓硬水軟化，避免產生水垢，但這說法一直缺乏科學實證；如果這是真的，那麼用強大磁場磁化過的水，效果應該會更明顯吧？於是他將水放進超導磁鐵中，卻赫然發現水懸浮在磁場中！他萬萬沒想到水的抗磁性 (Diamagnetism) 竟然足以抵銷重力，就連專門研究磁場的同事看了也都不敢置信，以為他故意用什麼魔術手法開他們玩笑。
海姆陸續又嘗試了許多種物品，其中懸浮的青蛙看起來格外荒謬，讓他因而獲頒 2000 年搞笑諾貝爾獎的物理獎。
石墨的電場效應
2001 年，海姆應聘至英國的曼徹斯特大學，第一年他先忙著籌建實驗室，力邀之前在奈梅亨大學指導的博士生諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）過來幫忙。第二年首位博士生江達（Da Jiang）來報到了，海姆必須幫他找個研究題目。當時奈米碳管正當紅，但現在才要跳進去似乎有點晚了，倒是有許多論文指出石墨的一些電子特性仍是個謎。海姆之前在半導體領域有所涉獵，心想或許可以從這方向著手。
海姆知道江達語言能力不是很好，剛來英國又有許多生活上的事要安頓，於是要他先專心設法做出石墨薄片，越薄越好，等做出來了就開始測試石墨的「電場效應」。
海姆把一塊幾毫米厚的石墨交給江達，建議他用拋光機研磨。幾個月後，江達能做的已經達到極限了，他把成品交給海姆，海姆拿到顯微鏡下觀察，估算出厚度大約 10 微米——還是太厚了。師徒倆都難掩失望，實驗室裡一位來自烏克蘭的研究員蕭克亞瑞夫斯基（Oleg Shklyarevskii）知道後，拿了黏著一片石墨的膠帶給海姆，說這反正要丟掉了，看他要不要拿去試試看。
膠帶？
原來蕭克亞瑞夫斯基是掃描穿隧顯微鏡（STM）的專家，他們在實作上都會用膠帶黏起石墨的表層，來做為 STM 標準的參考樣本。海姆把膠帶上的石墨放到顯微鏡下一看，嚇了一跳，竟然比江達研磨的還薄很多！他一方面懊惱自己讓江達白費了那麼多工夫，一方面又為發現膠帶如此簡單的工具而雀躍不已。
尤其膠帶上的石墨有些部位是透明的，如果它們不是破裂的缺口，就代表甚至薄到奈米層級了。石墨是由一層層蜂巢狀結構的碳原子平面堆疊而成，每層之間以凡得瓦力結合在一起。儘管科學家已經成功做出捲成管狀的奈米碳管，以及球狀的富勒烯，卻始終無法成功分離出以二維平面單獨存在的石墨烯，因此石墨烯向來被認為只是理論上的結構，實際上無法單獨穩定存在。
如今這片膠帶上的石墨讓海姆如獲至寶，他開始招募團隊，試圖製造石墨烯並進行電場效應實驗。蕭克亞瑞夫斯基手上有案子要忙，無法參加，於是諾沃肖洛夫自告奮勇加入。他們直接土法煉鋼，彎折膠帶粘住石墨薄片的兩側，然後撕開膠帶，讓石墨一分為二，如此不斷重複，石墨就越來越薄。
石墨烯現身
不過怎麼知道透明的部分是石墨或只是膠帶本身？海姆過去的半導體經驗此時派上用場，他本來就準備了矽晶圓要做電場效應的實驗，於是他將剝離的石墨薄片置於矽晶圓上，根據光波干涉效應，確認透明的部分的確是只有幾奈米厚的石墨。他們繼續改善剝離石墨以及轉移至測試設備的技術，終於在 2003 年底證實單層的石墨烯可以穩定存在，而且具有場效應電晶體的性質。
他們寫成論文後，先投稿給《自然》（Nature）期刊，不料卻被退件，只好轉而投給《科學》（Science）期刊。2004 年 10 月 22 日，這篇由海姆和諾沃肖洛夫領銜的論文刊出後，立刻造成轟動，原來過往對於石墨烯的迷思是錯的，而且竟然用膠帶這麼原始的方法就能從石墨中分離出石墨烯。
隨著各界競相投入研究這項神奇的奈米材，如今石墨烯已有更佳的製備方法，各種神奇的特性也陸續被發掘出來，成為具有無窮應用潛力的明星材料。海姆和諾沃肖洛夫也因此而共同獲頒 2010 年諾貝爾物理獎。
誰能料到當年獲得搞笑諾貝爾獎的海姆，竟會在十年後獲得科學界的最高殊榮？其實對海姆而言，當年將水倒入超導磁鐵（一般人都怕會弄壞昂貴的設備，不敢這麼做吧），或是後來以膠帶製備石墨烯，背後都是勇於跳脫窠臼的大膽嘗試。就如同他在諾貝爾獎典禮的演講中所下的註腳：「犯錯總比無聊好」。
附註：本文改寫自預定刊載於十月號《工業材料》月刊之專欄文章。
參考資料：
