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學術專欄：科學史上的一頁書：石墨烯 文/工科系 特約博士後研究學者莊鎮宇 大多數的人可能都同意，要了解一個未知的東西，最直接的方法就是把這個「東西」大卸八塊，看看 它是由哪些「零件」組成的。事實上，去弄清楚組成事物的基本構件，就是科學史的主軸之一。所以，我們 有了元素週期表（物質），有Maxwell equations （電磁學），有Boltzmanns entropy formula （熱力學）或是 Schr?dinger equation （量子力學）這些基本建材，建造了我們所知道的物質世界。於是，我們在這裡就有了 一個不太尋常的命題：假如了解「多」或「大」的事物所需要的知識可以經由「少」或「小」的零件來獲得， 那麼我們存在的三維世界裡的一切知識，是否其實可以在更低的維度內窺見？ 其實，這正是許多物理學家正在做的事。他們用盡各種光怪陸離的麻煩手段與複雜怪兵器，將原子、電 子甚至更奇怪的基本粒子侷限在很低的維度或是拆解成更小的粒子；以管窺天沒有限制了他們的視野，反而 讓科學家們看到了前所未見的新世界。可惜的是，這些科學家們所使用的方法與設備通常所費不貲，價格已 是天文數字的LHC （大強子對撞機）可能只是其中一個比較著名的例子，低維度物理所需的基本低溫設施其 實就已經不是大部分大學實驗室能夠負擔的起的。 那麼，在我們生活的三維世界裡實作一個二維系統到底有多難？想像一個常識可及情況：在玻璃桌上有 一滴水珠，我們要如何才能將這滴水珠壓扁，而且扁到只能有一層原子厚度，使之成為真正的二維系統？由 經驗判斷，最快的方法恐怕是用另一片玻璃把它壓扁，而且夾在兩片玻璃中的水膜顯然還是到不了一層原子 厚度；更重要的是，當你拿起這片玻璃，這水膜會立刻恢復成水珠，永遠無法保持水膜狀態。事實上，隱藏 在這日常現象背後的熱力學原理並不允許任何二維晶體在有限溫度下孤立(free-standing)存在，除非有其它的 支撐材料來維持這個熱力學系統在二維的侷限(confinement)狀態，例如這個假想實驗裡用的玻璃片。 假如，今天有人告訴你，發展超過兩百年的熱力學知識雖然接近完美，但是在用來詮釋低維度系統時其 實還是是不太夠的，你相信嗎？假如，今天有人告訴你，先把課本的熱力學先放一邊，要獲得完美的孤立二 維系統其實只需要一捲巷口雜貨店買的普通膠帶與一支6B鉛筆，外加一部每個中學實驗室都有的光學顯微鏡 就夠了，你相信嗎？ 做出上述宣稱的兩位怪胎物理學家，顯然用偉 大的洞見與傑出的實驗成功說服了諾貝爾委員 會。2010年，諾貝爾物理獎頒給了51歲曼徹斯特大 學(University of Manchester) 的蘭沃錫物理教授 （Langworthy Professor of Physics ）Andre Geim博 士與36 歲的皇家學會（Royal Society ）研究員 Konstantin Novoselov博士，理由是表彰他們兩人在 二維晶體石墨烯(graphene)材料物理的非凡成就。 這出人意表的桂冠距離他們劃時代的發現僅僅六 ▲左為Andre Geim ，右為Konstentin Novoselov 。(圖片來 年，而諾貝爾委員會對他們的評語是：「他們很活 源：http://ec.europa.eu/research/fp6/index_en.cfm?p=8_nest) 潑，充滿玩興（playfulness ）；他們時而揚棄一些現有的科學理念，他們更會漫無目標的思考新的方向，有時 他們的思考是光怪陸離的，而且更多時候是毫無結果的。」其中Novoselov博士於2010年11月16日蒞臨清華 大學參訪，並且在工程與系統科學系舉辦一場專題演講。 ▲ Konstantin Novoselov 博士於2010 年11 月16 日在工科系館舉辦專題演講，院內的教授及學生均爭相聆聽他 與Andre Geim 博士在二維晶體石墨烯(graphene)材料物理的非凡研究。 這兩位傑出的物理學家，大學學位皆在莫斯科物理技術學院(Moscow Institute of Physics and Technology) 取得，並且打下扎實的物理基礎；該校以應用物理學、應用數學等方面最為擅長，並享有「俄羅斯的MIT 」 之美名。Novoselov在荷蘭奈美恩大學(Radboud University Nijmegen)念博士班時則是Geim教授所指導的學 生。或許同樣來自俄羅斯，語言與文化背景相似，又是同一大學畢業的大學長與小學弟，兩個人在荷蘭相遇