Andre_Geim

史上唯一「搞笑諾貝爾獎」與諾貝爾獎的雙料得主

史上唯一「搞笑諾貝爾獎」與諾貝爾獎的雙料得主

史上唯一「搞笑諾貝爾獎」與諾貝爾獎的雙料得主

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。

漂浮在超導磁鐵中的青蛙。圖片來源:Wikipedia

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。

海姆捐給諾貝爾博物館的石墨、膠帶與石墨烯電晶體。圖片來源:Wikipedia

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:

  1. Andre K. Geim – Nobel Lecture (nobelprize.org)
  2. Andre Geim – Wikipedia
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