西瓜视频创作人袁岚峰对话诺贝尔奖得主安德烈·盖姆

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编者按:近日,今日头条科学频道联合世界顶尖科学家协会推出了科普视频系列《科学家请回答2020》,由科普创作者连线对话科学家,聚焦 2020 年度科技大事件和科研成果,带观众了解科学家大成就背后的小故事。首期视频由西瓜视频创作人袁岚峰对谈诺贝尔物理学奖获得者安德烈·盖姆(Andre Geim)。

安德烈·盖姆被誉为 石墨烯之父 ,是俄罗斯裔物理学家,拥有荷兰和英国双重国籍,现任曼彻斯特大学物理与天文学院教授。 2010 年,盖姆教授凭借在二维空间材料石墨烯的突破性实验,与其学生康斯坦丁·诺沃肖罗夫共同获得诺贝尔物理学奖。

袁岚峰是中国科技大学副研究员,也是一位著名的科普创作者,目前在西瓜视频拥有超过 200 万的粉丝。

袁岚峰与安德烈·盖姆对谈视频截图

以下为对谈实录:

袁岚峰:首先请让我简单介绍下我自己,我叫袁岚峰,来自中国科学技术大学USTC,主攻化学。

安德烈·盖姆:大家好,我是安德烈·盖姆,我刚好在十年前获得过一次诺贝尔奖,很高兴今天能和您一起探讨。

袁岚峰:见到您很高兴,实际上我的第一个问题是关于您的姓(Geim),请问您的姓氏标准发音究竟是什么?

安德烈·盖姆:盖姆。

袁岚峰:盖姆,好的谢谢您,人们经常困惑到底是海姆,吉姆还是盖姆,原来应该是盖姆。那么第一个正经的问题是关于石墨烯,我们知道,我们在中学就学过石墨的结构。但是,在您的成果之前,单层石墨即石墨烯却一直没有制备出来。请问您是为什么想到要去制备石墨烯的?又是如何想到 用胶带撕 这种方法的?

安德烈·盖姆:从我开始这个研究起,我就在寻找周围各种有趣的事情。那时我从荷兰搬到了英国,然后我正在寻找一个新的课题。当时碳纳米管非常流行,因此我想到,石墨是一个非常有趣的材料。没有人在石墨薄膜这个领域开始过研究,因为以前不可能制备出这种薄膜。也许我们可以制备某种跟碳纳米管很类似的东西,制备石墨的薄膜。因此我和一位中国学生开始了博士研究,他叫Jiang Da,Jiang Da现在是一名上海的教授。我们一起开始了这个研究项目,最终我们制备了石墨的薄膜,最终我们获得了单层的物质,现在被称为石墨烯,这就是简单的故事。

袁岚峰:这是个精彩的故事。您的工作引起了巨大的轰动,现在石墨烯已经形成一个很大的产业,不过,还是经常听到一种说法:这个产业缺少一个 爆款应用 ,请问您对此怎么看?

安德烈·盖姆:当我们谈论石墨烯,我们关心的不是应用,它基本上是关于这种材料带给我们新的知识。我得到诺贝尔奖不是因为开公司或者诸如此类的事情,我得到诺贝尔奖是因为从石墨烯中发现的新物理。

袁岚峰:是的,我完全同意。

安德烈·盖姆:重要的是我们在这个新物体中发现了什么。如果你仔细观察我们周围,我们周围的每个物体都是三维的,它有厚度,有长度,还有宽度。你不会在我们身边找到一个物体,它的厚度只有一个原子或一个分子。这个物质挑战了人类科学家和认知的极限,就是我们难以相信单原子物质在大自然的存在,这背后是非常有力的物理法则。

盖姆教授讲解石墨烯

我们同样也在经历,例如,你想取得同样(如石墨烯一样)单层的金子,它会在室温融化,如果你想得到同样薄的铝或者铁,它会氧化,然后完全被摧毁。

因此我们从来没有 这种物质可以存在 的知识,石墨烯正是第一种材料,证明单原子或者单分子厚度的材料可以存在。现在,我们有几十几百种这样的材料,它们正在世界各地被研究,正在世界各地进行,这很可能将给我们带来整个一类新材料的研究,并用于实际应用,这是第一个关键。关于石墨烯第二个关键是,人人都认为,如果你从石墨中取出一小块,它的性质会基本上和大块材料一样,然而石墨烯证明,某种物质的一小部分可以具有跟大块材料完全不同的性质,它的性质丰富得多,强大得多。石墨烯与其母材石墨非常不同,其他石墨烯的姐妹材料也是如此。

袁岚峰:我明白了,因此石墨烯最重要的不是它的物质本身,而是它打开了二维物质的大门,对吗?

安德烈·盖姆:是的,它打开了材料界的一个新时代。人类跟随着材料的发展,从石器时代、青铜时代、铁器时代再到充满硅和塑料的现代社会。因此我相信,我们正在进入,至少是部分进入一个二维材料的新时代。这个领域在 15 年前我们还一无所知,在此之前,我们甚至想都不敢想这种物质的存在。

袁岚峰:人们一般谈的是石墨烯的用途,例如它可以用作导电材料或者超硬材料,但实际上,它在科学上基础的重要之处在于,它是二维材料。我们从没意识到二维物质的存在,这真是神奇。那么,关于石墨烯和碳基半导体的未来。例如,中国一些团队在今年五月的《科学》杂志上发表了论文,他们第一次制备了性能超越硅晶体管的碳纳米管晶体管,请问您觉得碳基半导体的前景如何?

安德烈·盖姆:这是一个由你提到的这个团队做出的重要的进展,我认识他们。但是,如果我们能看的更加广阔,目前我们只是一直在尝试利用新材料,复制一些我们已经了解的事物而已。我们知道,硅制造出了十分强大的芯片,它们支撑了我们的电脑和手机,利用石墨烯或者碳纳米管晶体管这样的材料,只是尝试去提高现有的技术水平。我觉得比这次更大的意义应该是:我们现在的工作,是我们首次理解碳基科技的基本原理,我们不应该限制自己的想象仅仅复制现有的技术。

袁岚峰:是的,我理解了,这个问题实际上比您的图景狭窄得多,您的图景才是真正重要的事。真的很了不起,您仍然在科研工作的一线,从你的职业生涯一开始到现在,您一直保持着从事研究,同时您还做了其他有趣的事情。比如,您靠着磁悬浮一只青蛙,获得了 搞笑诺贝尔奖 ,这看起来令人捧腹大笑。但是你还可以考虑磁悬浮人类或诸如此类,您是怎么想到这个主意的呢?这项研究的未来如何?

安德烈·盖姆:贯穿我整个的职业生涯,我都在努力做一些出乎预料的事,在其他人还没有研究过的,尚未高度发展的领域。因此在 25 年前,我决定考察一个没有被充分理解的主题 磁化的水 ,那么水发生了什么?让我吃惊的是,以及更重要的,让我所有的那些终身对磁场做专业研究的同事们吃惊的是,水被泼出后不是洒在地板上,而是在磁场中悬浮了起来。我花了五分钟的时间去想明白,这玩意不是科幻中的反重力机器,和那个完全是两码事,这个现象背后的原理,其实我们早在百年前就知道了,就是磁场,抗磁性。例如你和我,我们都有一点磁性,我们可能感觉不到,但是当我们被放入磁场后,我们变得好像一个小磁体,甚至其实不是那么小。磁依赖于磁场,但是每个人,包括专家,都认为这只是个微小的现象,只能用于特殊的环境中,如此等等。但实际上我们却发现,这些条件在全世界的很多实验室都可以日常地提供,这些条件在我之前半个世纪就已经存在了,只是没人去做这种简单的实验。把普通的物质放到磁场中,我放入了水,然后我得到了漂亮的视频。草莓、西红柿等等,任何东西,以及其他物体磁悬浮在磁场中,这对于这个领域的专家都是个相当震撼的经历。但最终,如何向大众展示,你有你的科普栏目(科技袁人),如果你说悬浮水或塑料,那听起来还是有点太科学了,因此我决定做一个标志性的展示,我把小青蛙放到磁场中,青蛙也悬浮了起来。如果青蛙能磁悬浮,人类当然也可以,这就是我的要点。

搞笑诺贝尔 奖 ,当我被问到我是否愿意领奖,因为有些人不愿意有不专业的职业生涯,不是个对专业人员有益的奖项,但我的一生都乐于冒险,因此我愿意领奖,因为到时我就能拿自己开玩笑了。

袁岚峰:是的,这不仅仅是个玩笑,这实际上也是非常重要的物理实验。您是不是说,如果水和青蛙可以被磁悬浮,那么人类也可以,因为人体里也有水?

安德烈·盖姆:是的,人类的确可以被磁悬浮,这需要非常大的磁体。但是我不认为做这个有什么意义,这个研究最重要的问题不是关于新知识,而是在转换磁场环境中的物质的新认知,它变得更加深入了。我亲眼所见,学者们刚开始仅仅看到蚊子在磁场中飞行,但是他们从没有真正了解,为什么蚊子试图调整方向沿着磁场飞,因为磁场的变换让它们感觉到了不舒服。

袁岚峰:我明白了。看起来您的风格和其他大多数科学家十分不同,大多数科学家会从非常奇怪的材料中寻找新现象。比如量子霍尔效应,它同样处于强磁场中,它的材料也非常的特殊。但是您只是在用青蛙和水,它们是非常大众化的物质。您的风格是从我们熟悉的材料中寻找新现象,比如石墨,比如青蛙,这真是很神奇。这让人感觉到,有这么多宇宙秘密,而它们就在我们身边,我们应该仔细观察,非常感谢您。

安德烈·盖姆:是的,科学通常沿着某个方向小步发展,人们逐渐地发展知识,突然间他们在这条路上发现了新的东西,这是做事的一种方法。但不同的是,我用另一种不同的方法做事,而不是逐渐发展我自己的研究领域,希望在这条路上的某个地方发现有一些有趣的东西。我跳进了未知的领域,希望在那里找到一些有趣的东西,至少这样做是有趣的。

袁岚峰:这些年您还做了那些新领域的研究呢?

安德烈·盖姆:实际上,在获得诺贝尔奖后,我们开启了几个新课题,是关于二维材料的。我们目前了解到二维空间的材料,有时称它 2D无 2D nothing ,对吧,用中文说是 2D无 。 2D无 完全说明了它是能创造的最小的空间,仅仅一个原子高,是空的。我们研究了分子、原子、水如何穿过这个终极狭小的毛细血管,这对石墨烯的研究来说是个重大的课题。因此可以说这些研究,有点相关于,不是跟物理,而是跟技术。因为二维物质提供了如此多的可能性,我试图利用这些可能性,试验性的可能性去研究新课题,但这些研究和其他由石墨烯带来的,物理学和技术研究都完全不一样。这便是从青蛙到石墨烯,再到 2D无 的跳跃。

袁岚峰:非常感谢您,这真神奇。我们期待您的团队带来更多有趣的新成果。有趣的是,您和您的搭档康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授都是俄罗斯人,你们两位都是生于俄罗斯是吗?

安德烈·盖姆与康斯坦丁·诺沃肖洛夫

安德烈·盖姆:我的确出生在俄国,但是我从不称我自己是俄罗斯人。我来自苏联,我是苏联公民,后来我离开了,去了西方,所以我从未当过俄罗斯人。我的父母是德国人,对于任何俄罗斯的人来说,当他们说盖姆我的姓氏,他们都知道这不是俄罗斯名字,因此我也从来没有被称作为俄罗斯人。同时,你懂的,由于一些历史原因,对一个拥有德国父母和这个姓氏的人来说,在俄罗斯长大是一段不太舒服的经历。这就像是一个中国人,比如,姓张吧。我不知道你的姓氏,但是你却生长在,比如说日本,你可以想到这个人多么不幸吧。然后你去了中国,人们把你称为日本人 。所以我怎么感受呢,我的确说俄语,我有很多朋友在俄罗斯,但是我不认为我是俄罗斯人,尤其是当我已经在西方生活了 30 年之后。

袁岚峰:我明白我明白,真有趣,所以您的背景横跨了多种文化,也许这是您学术风格的原因之一,对不对?

安德烈·盖姆:是的,肯定影响了,我家庭的历史,各处搬家的经历,作为德国人在苏联遭受歧视的经历,都影响了我性格和工作的独特风格吧。

袁岚峰:这真的很令人惊奇。实际上,我的一个博士后导师,罗德·霍夫曼教授,您知道他吗?

袁岚峰导师霍夫曼教授曾获 1981 年诺贝尔化学奖

安德烈·盖姆:我听到过这个名字,没有见过面。

袁岚峰:他在 1981 年获得了诺贝尔化学奖。他生于 1937 年,正好是二战的前两年,在希特勒入侵波兰之前,他出生在了波兰,他的童年也是同样多难,我对此很理解。那么,您近年经常回俄罗斯吗,俄罗斯的科学和教育环境现在如何?

安德烈·盖姆:我与俄罗斯的科学界和技术界已经完全失去了联系,有时会有俄罗斯科学家会来访问我,我有不少博士生和博士后来自俄罗斯,他们受到了很好的教育。在这个前提下,在我的实验室里有更多来自中国的博士生和博士后,其中有些是极其优秀的,我访问中国的次数也显然多得多,大概一年会有三次。因此我对中国非常熟悉。我大约有 10 年没去过俄罗斯了,从我的角度,我对我的出生地的感情是比较复杂的。

袁岚峰:我明白了,所以在这个意义上,你确实是个世界公民。

安德烈·盖姆:是,我认为自己是欧洲人,因为我的父母,我的基因。我在中国花了很多时间进行学术研究,我在中国有很多的科学界关系,我每年访问中国三四次,我没去美国大概也有几年了。

袁岚峰:哦,是吗?那么,既然您对中国如此熟悉,您觉得中国的科学与教育如何?您能给中国一些建议吗?

安德烈·盖姆:我了解中国,我到过中国的很多城市。我的一些博士生和博士后说我到过的中国城市的数目是他们的十倍,尽管他们是中国人。我有许多合作者,比如说来自深圳、北京和厦门,我们有密切的工作接触,他们是非常非常优秀的世界级科学家。一般而言,中国更多的偏向应用科学,在应用科学方面非常强大。不过在基础科学方面,中国仍然在美国之下,居于第二。不过就应用科学而言,中国确实在世界的顶端。在基础研究方面,追赶得也非常快。还有就是,很多人在担心,获得诺贝尔奖的问题。你真不应该担心,你懂的,从发现某个东西到得诺奖,一般需要三四十年。在大多数情况下,我算是一个例外。

安德烈·盖姆评价中国应用科学

袁岚峰:是的是的,我正想说这个。

安德烈·盖姆:但总的来说还是需要很长时间的,我很确信中国已经有不少诺贝尔奖的成果,它们将会在未来的几十年中得到奖。事情就是这样,中国现在的科研是很强的。

袁岚峰:非常感谢您,您对中国真的很友好。不过我们自己对我们在基础研究方面的缺乏还是非常担忧的。正如您所说,我们集中在应用科学上。所以您有没有一些对中国人民的建议,提高我们对基础研究的重视?

安德烈·盖姆:我认为基础研究,对于任何一个国家都是非常重要的,因为现代科技、应用研究、产业等等的基石都是基础研究,如果移除了这个基础,在这之上建立的纸牌屋都将崩塌。您可能已经看到了,中国是一个好例子,基础研究这一层有所缺失,所以基础研究的知识、战略和思想方法,在一定程度上没有转移到另一层的应用研究中,做应用研究的人缺乏这种知识和专业技能,这些知识和专业技能来自另一些基础研究层级的人。有时,中国的应用研究质量不足以带来技术突破,而基础研究会刺激高质量的应用研究,然后带来技术进展,这就是我对中国产业界的建议。给基础研究更多的投资,这是你知道,这会提高应用研究的质量,发展新技术。

袁岚峰:我完全赞成,非常感谢。最后,你对普遍的中国观众有没有想说的话?

安德烈·盖姆:我知道,在中国文化中,知识与教育是非常重要的。中国的父母非常积极地推动孩子们去获得更高的教育,真正成为有学识的人。但包括中国在内,金钱和知识对于年轻一代越来越重要。我的信息是,如果你受到良好的教育,你总是能过上好的生活,获得财富,可能不是超级富裕,但你会同时获得富裕、快乐和智慧。然而如果你超级富裕,却愚蠢,没有受过良好的教育,那么金钱永远不能给你买到智慧,永远不行。穷尽世界上所有的钱也买不到良好的心智。所以请永远努力把知识和教育放在金钱之上,这就是我的信息。

袁岚峰:说得太棒了,谢谢。

安德烈·盖姆:很高兴与您沟通,祝您后续采访顺利,谢谢!

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