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这位科研狗是如何超级逗逼地发明出神一样的石墨烯的?

发布时间:2015-11-23 下午2:20

作者: Feelinghome

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石墨烯将取代硅,为世界电子科技开创一个崭新的时代!

石墨烯手机充电时间只需5秒,电池就满档,可以连续使用半个月!

石墨烯电池只需充电10分钟,环保节能汽车就有可能行驶1000公里!



什么神奇的石墨烯到底是什么东东?

石墨烯是世界上最薄、最硬的材料,于2004年问世,发现石墨烯的英国曼彻斯特科学家安德烈·海姆(Andre Geim,AG)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)凭借着这一发现获得2010年诺贝尔物理学奖。

所以我们就来认识一下今天的主角——Andre Geim(以下简称AG)。他的科学才华无与伦比。在他的眼中,科研是一个满足自己好奇心的游戏。并且在十几年的时间中,玩耍出了很多惊世骇俗的科学成果,让所有苦行僧一样的科研狗们羡慕不己。

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但当他还是一只科研狗的时候,也曾经四面楚歌,苦逼到饭都吃不起的地步。

事实一再印证,命运之神会眷念每一个逗逼。于是,他终于发现了牛B的石墨烯,使人类的科技从硅时代一跃进入碳时代,并为自己赢得了科学家的最高奖——诺贝尔物理学奖。 ?

他曾一无所有,他将拥有一切。他神一般的存在,只为证明一个真理:好奇心才是科学的第一推动力!!!

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AG的这张照片看着好有男神范儿,充满学霸的光环。不过,小编觉得他的长相好像一个人。。。
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没错!就是《科学大爆炸》中的逗逼霍华德。事实也证明了,AG可能是所有诺贝尔奖获得者中,最具逗逼气质的获奖者了。这事儿我们稍后再提,先说说他苦逼的前半生。

AG在35岁以前,是一个养家糊口都犯难的主儿。

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AG上世纪80年代进入俄罗斯科学院攻读固体物理学博士学位。导师给了AG一个不怎么需要花钱的课题,然后。。。AG就花了5年的时间,想着怎么在这个垃圾课题中找出一点有价值的东西。他努力了,并且发表了5篇paper。但一个学术网站的编辑对AG说,他这5年做的研究完全是一坨shi。。。

多年后,AG在回忆这段研究岁月时“深情”地说:“我还是从中学到了一些让我受益终身的东西,那就是绝!对!不!要!让你的学生研究那些已经死了很久的课题方向。”

1987年他拿到自己的博士学位后,进入俄罗斯科学院,开始了一条科研狗的生活。

AG找了个机会跑到英国做博士后,随后几年中又分别去了丹麦、荷兰,其实就是去这些发达国家的实验室里打工挣钱养家糊口。

由于之前一直没有做出什么亮眼的成果,也没有发过什么好paper。所以,AG到哪儿都是一个无名小卒,无人问津。时间一晃,他已经36岁了,基本上一事无成。没有自己的科研团队,没有研究方向,更没有丰厚的科研经费。

如果是在中国,他这样的科研狗已经被很多所谓的专家们在科研上判死刑了,用来作为反面教材教育年轻人要好好听话、老实干活、多发文章。

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被中国专家紧握着手,AG只能“呵呵”了

一个偶然的机会,AG成为荷兰一所大学的副教授。为了能专心做科研,不再为五斗米奔波,他选择加入荷兰国藉。吃饭问题解决后,他那被雪藏已久的逗逼气质,渐渐地苏醒了,有如黄河泛滥,一发不可收拾。

他所在的实验室中,有一台能产生20特斯拉的超导磁铁,几乎是人类制造出的最强磁场。嗯。。。这个怎么形容呢,就是比我们日常见到的电磁铁磁性强几十甚至上百倍吧。如果在这样的磁场周边放上刀叉之类的铁器,估计会马上变成小李飞刀。


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然后,没有科研经费的AG,就打起了这台超导磁铁设备的主意。

磁学有一个特别有意思的特性,就是当物体在磁场中运动时,物体中会产生与运动方向相反的力,抵抗物体的运动。

嗯,作为漫科普一名坚持不讲科学公式的小编,我是不会告诉你抗磁性是运动的电子在磁场中受电磁感应而表现出的属性的。

大家只要记住一点就够了:所有的物质都有抗磁性,也就是会抗拒被磁场磁化。只不过有些物质的顺磁性或铁磁性太强,如磁铁,将抗磁性掩盖了,从而表现出磁性。另外,由于抗磁性系数不同,产生的斥力大小相差也很大。

那么,磁学的这一个特性,有什么好玩的地方呢?看看下面令人大开眼界的动图。



这个有趣的现象又被称为“羽落术”。这里使用了一块钕磁铁和一只粗铜管。钕磁铁产生磁场,而铜是优良的抗磁性物质。运动的磁场与铜管相互作用,铜内产生感应电流,通过电磁作用产生向上的斥力阻碍了钕磁铁下落。从而,产生画面中重物在空气中缓慢下落的神奇效果!

嗯,我们期待已久的AG终于要登场了。吃饱喝足后,他的逗逼创造力,绝对可以在科学史上写下浓墨重彩的一笔。

于是,他逗逼的往20特斯拉的磁场中倒水。。。没错,就是倒!!!! 水!!!!

这要是在中国,老板看到哪个科研狗胆敢往高级仪器中倒水,一定会让这只科研狗脑子进水。。。

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估计没有哪只科研狗敢做出这么胆大妄为的举动,于是,AG成为了AG,而中国的科研狗们继续NG。。。

上帝的秘密就这样被AG发现了。一滴浑圆的水滴,像失去了重力一样悬浮在磁场中。它就在那里,不上不下,不悲不喜,不离不弃。





水为什么会悬浮在磁场中呢?其实,水分子也具有抗磁性,只不过非常小,如果是一般的磁场,产生的斥力与水滴受到的重力相比,完全可以忽略不计。但AG所用的磁场是如此之强,足以使水滴克服地球重力悬浮起来。

当然,作为一个被压抑了多年的科学逗逼来说,AG绝不会满足于把一滴水悬浮在空中,因为那样太不够逗逼精神了!!

生物体内绝大多数都是水份,而且,蛋白质等也是抗磁性的。问题来了:生物如果在强磁场中,会像水滴一样悬浮起来吗?

于是,他把活的生物体也扔到了那个威力巨大的强磁场中。其中,最搞笑的是一只青蛙。

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7.jpg

当青蛙被放到磁场中,青蛙的每个原子都像一个小磁针,外界磁场对这些小磁针作用的结果产生了向上的力,如果磁场的强度适当,这力与青蛙受的重力达到平衡,它们就能悬在空中。悬浮的青蛙,也为AG赢得了2000年的搞笑诺贝尔物理学奖。

这只青蛙,大概是第一个没有受外力作用,比如气流等,而能够在地球上悬浮的活体生物了。



嗯,说到这里,大家肯定自然而然地会想到,人体是否也能悬浮在磁场中。从理论上说,是完全没有问题的。利用抗磁原理,只要用足够强的磁场,经过周密的设计,将来就有可能使人体在磁场中悬浮起来。

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8.jpg

AG搞笑的本色并未就此停止,他后来做的一系列逗逼科研更是有增无减,甚至为他赢得了真正的诺贝尔奖。

AG另一个牛B的研究,是发明了一种胶带。

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9.jpg

嗯,先别急,如果你知道这个胶带的背景,就知道这个发明有多脑洞了。

在电影《谍中谍4》中,阿汤哥曾戴着一双“壁虎手套”,顺着玻璃墙,徒手攀爬世界第一高楼——哈利法塔。

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10.jpg

当然,这只是电影的一个桥段,壁虎手套是人们想象出来的。但在自然界中,壁虎爬墙的本事,却真的让人类垂涎三尺。无论是粗糙的树干,还是光滑的玻璃,壁虎都能行走如飞。壁虎为什么有如此神奇的本领?

原来,秘密就在壁虎的脚掌上。

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11.jpg
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人们曾经以为壁虎的脚掌能在各种材质的墙壁上行走,是由于粘液或脚掌上小吸盘的帮助。但这些假设很快被实验推翻了。简单想一想就能明白,如果壁虎是被粘液或吸盘牢牢地吸附在墙上,它怎么能够灵活地迈步呢?所以,壁虎行走的迷题一直没有很好的解释。
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12.jpg

直至2000年,美国科学家用电镜放大观察壁虎的脚掌,发现壁虎的脚掌充满了无数小的毛状物体。由于这些物体比较硬,又称为“刚毛”。那些看似小钩子一样的刚毛末端,实际上是开叉的,每根刚毛都分成了100-1000根更细的绒毛,这些绒毛的尺寸小到纳米级品。

因为这些绒毛如此之小,以至于整体的表面积大大提高。极大的增加了壁虎脚掌的表面积,特别是当壁虎攀在那些粗糙的物体表面时,这些绒毛更能填满那些细小的坑洼。

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由于篇幅限制关系,1楼回复中继续更加精彩的内容。
???标签: 科研狗 石墨烯
Feelinghome 编辑于 2015-11-26 上午8:38
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第1楼

回复主题:这位科研狗是如何超级逗逼地发明出神一样的石墨烯的?

发布时间:2015-11-23 下午2:22

作者: Feelinghome

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现在要说的,就是壁虎最牛B的地方了。它根本不是靠人们想像的宏观条件下的力吸附。它依靠的是刚毛上的小绒毛,与墙壁产生的范德华力——也就是说,是它脚掌上的分子与墙壁分子间产生的力!

说到范德华力,是一种发生于分子与分子之间的吸引力。下面的小实验可以让你体会到范德华力的力量。

找两本厚一点的书,最好是纸张薄软一点的,像洗扑克牌一样把两本书的书页一张压一张的叠在一起。全部叠完后用手压一压,然后分别抓住两本书的书脊,试试能把它们拉开吗?把两本书“粘”在一起的力量,就是范德华力。

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14.jpg

如果你没有耐心把两本书一页一页的交叠,也可以去买一部新手机。很多人都特别享受揭开新手机屏幕保护膜的那个瞬间,其实那层膜就是靠范德华力“粘”在手机屏幕上的。

相比让原子构成分子的那些作用力,范德华力很小,生活中我们往往不会在意到它的存在。但是这个很小,只是相对来说的。亿万根这样的绒毛足以产生巨大的吸引力,从而可以使得壁虎爬上任何物体表面,甚至玻璃的天花板。有科学家测算,壁虎脚掌上刚毛产生的吸附力,可以达到其体重的50倍。

听到这儿,是不是觉得壁虎超级牛B。人类文明发展了上万年,也就是近一、两百年,才开始认识到原子、分子间力的作用。而壁虎,则早已运用分子间的范德华力吸附在墙上傲娇几百万年了。

15.jpg

说了这么多壁虎,该轮到我们的科研男神AG登场了。

壁虎脚掌这么好玩的课题,当然不会逃脱AG的视线,他一时兴起,就想试试能否做出像壁虎脚掌一样的胶带。这种胶带最大的优势是可以反复使用,而且吸附力强大。未来,人类也可以像壁虎一样自如攀爬高楼,《谍中谍4》中的镜头绝不是梦。

于是,他模拟壁虎脚掌的结构,在一种高分子材料(聚酰亚胺)上进行刻蚀,制造出单个微突起直径为500nm,高2μm,以间隔1.6μm周期性排列的表面。制作了一片小小的胶带。放大后,胶带表面是这个样子的(密集症患者回避~~~):

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这种胶带中每0.5平方厘米负重可达300克的物体。如果要把一个人粘在墙上,用一张A4纸大小的胶带就足够了。而且这种胶带可反复使用,被称为“壁虎胶带”。

这一次,他还是不改逗逼本色,把蜘蛛人(模型)牢牢地粘在天花板上。于是。。。世界媒体又沸腾了。。。这是人类为数不多地仿照动物身体微观结构,制造出的神奇材料。

仿生材料学,自此进入研究高-潮。

现在,全世界都对AG充满了期待——他又会玩出什么让人眼前一亮的科学成果呢?

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17.jpg

哦,顺便说一句,受AG的启发,美国的科学家们已经真正地发明出了“壁虎面板”。并且成功地攀爬上一面二十几米高的高墙。。。是不是有种想立刻爬墙的冲动?

关于壁虎手套的研究,绝对可以拍摄一部不亚于好莱坞科幻大片的科学纪录片。【漫科普】的小编改天再跟大家好好唠一唠这项研究。、

时间又到了2004年,这一年,AG想玩一次大的。

现代人类对于物质结构已经有了一个相对明确的认知。如果从原子尺度观察物质结构,原子们就是像搭乐高积木一样构建出我们这个千变成化的物质世界。

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18.jpg

而在人们所认知的结构中,石墨绝对是一个另类。

石墨的晶体结构是层状的,靠微弱的范德华力把相邻的两层贴合在一起。层与层之间充斥着大量的电子,因此,石墨是良好的导电体。

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19.jpg

而单个石墨层,则是碳原子与碳原子相互连结形成正六边形,并延伸成一张无限大的原子网。这张网上的原子连结的是如此结实,以致于这张网比钻石还硬。

有过削铅笔经验的小伙伴们都很清楚,铅笔中的石墨芯是很软的,而且很容易就掰断了。用铅笔书写,其实就是一个将芯上脱落的石墨颗粒留在纸面上过程。

这是因为石墨相邻分子层粘合的力很弱。石墨层很容易发生相互移动或剥离。就像下面这幅图示意的一样。

随着现代化科学仪器的不断进步,人类研究的尺度也越来越小。已经进入到纳米、甚至更小的原子级别。然而,尽管人们对石墨的结构已有了完全的认识,甚至预言了单层的石墨可能会具有非常好的物理性质。但如何把石墨不断地磨薄,薄到只有一个原子的厚度,这个世界难题还是让所有的科学家们望而却步了。

甚至有些科学界的大牛们断言,单层的石墨是不可能独自存在的!所有妄想做出单层石墨的人,都是痴人说梦!

马云的这句话很精辟:梦想还是要有的,万一实现了呢?


于是,AG果断地把一块石墨递给一个研究生:“去,把它磨到最薄!”

那个研究生当时就晕菜了。。。铁杵磨成针已是极致,你居然让我磨到原子量级。。。

于是这个研究生天天苦逼地磨石墨,几个月后,已经磨到最薄,实在磨不下去了。拿来一测量,还有几千个原子层厚,他绝望了。。。于是撒手不干,老子不玩了。

此路不通,AG只好再寻他途。这时,他看到学生用透明胶带贴在石墨表面,就问学生为什么这么做。学生说胶带可以把表面一层脏的石墨撕下来,再用干净的表面来磨。

瞬间,AG的脑洞亮了。他把撕后的胶带放到显微镜下观察,发现胶带上的石墨厚度比那个研究生辛苦磨出来的石墨片薄多了,有些甚至只有几十个原子层厚。

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20.jpg

撕!!下!!来!!

撕!!下!!来!!

撕!!下!!来!!

重要的事情说3遍。

于是,史上最简单粗暴,骇人听闻的科学实验诞生了!AG真的反复用透明胶带粘在石墨上,然后一遍又一遍地撕胶布,直到胶带上的石墨越来越薄,直至一个原子的厚度,也就是获得了单层的石墨,又被称为——石墨烯。

21.jpg

在石墨烯中,六边形的原子结构清晰可见

大家应该都有过用胶带粘纸上的错字的经历。而AG制备单层石墨烯的过程与之类似。

AG再次向世人证明,解决具有挑战性的科学问题,往往不需要用高深的理论或复杂的仪器,需要的,更多地是人们对日常生活细致的观察与灵活地运用。

面对用透明胶带撕出来的石墨烯,全世界的科学家毫无保留地献出了他们的膝盖。

拥有搞笑诺贝尔物理学奖的逗逼之神AG,因为率先做出石墨烯并测试了相关的物理性能,获得了2010年诺贝尔物理学奖。这一次,是货真价实的诺贝尔奖。

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22.jpg

关于石墨烯,再啰嗦几句。有人把石墨烯喻为人类在21世纪最重要的材料。石墨烯导电性极好,而且几乎透明。未来几年将运用到手机屏中。

而且石墨烯强度极高,秒杀钢铁等材料。已经有人脑洞大开,准备未来用石墨烯修建通往太空的轨道。

AG的故事还远没有结束,全世界的人都在盯着他,未来,他又会带给我们怎样的脑洞与欢乐呢?

评:不要小看任何一个富有想象力的人!

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Feelinghome 编辑于 2015-11-26 上午8:40
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第2楼 回复主题:这位科研狗是如何超级逗逼地发明出神一样的石墨烯的? 发布时间:2015-11-24 上午8:19

作者: JackyWu168

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第3楼 回复主题:这位科研狗是如何超级逗逼地发明出神一样的石墨烯的? 发布时间:2015-11-24 上午8:43

作者: andy_feng_81

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作者: 寻觅虚无

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作者: leafcai85

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作者: 如意狼

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第15楼 回复主题:这位科研狗是如何超级逗逼地发明出神一样的石墨烯的? 发布时间:2015-11-24 下午7:34

作者:陕西省的游客

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