張安琪 陳萌

(1復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系上海 200433;2復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系上海 200433)

新型碳納米結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)與啟示*

張安琪1陳萌2＊＊

(1復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系上海 200433;2復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系上海 200433)

回顧了C60、碳納米管和石墨烯3種重要碳納米結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，著重總結(jié)了新型碳單質(zhì)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中對(duì)科學(xué)研究者有益的啟示與思考。

富勒烯 碳納米管 石墨烯

1985年，C60的誕生改變了人們對(duì)碳元素單質(zhì)種類的認(rèn)識(shí)，這種“最完美的分子”順理成章地成為第3種具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的碳同素異形體。C60的發(fā)現(xiàn)和研究，引發(fā)了大型碳籠分子及其衍生物的研究熱潮，開(kāi)啟了一項(xiàng)全新的化學(xué)研究領(lǐng)域——富勒烯科學(xué)。隨后，碳納米管的發(fā)現(xiàn)(1991年)和石墨烯的制備(2004年)進(jìn)一步豐富了“碳家族”成員。3種碳納米結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷程跌宕起伏，高潮迭起，頗具戲劇性;回顧其發(fā)現(xiàn)歷程，總結(jié)和吸取其經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，能夠帶給我們?cè)S多有益的啟示。

1 新型碳材料的發(fā)現(xiàn)

1.1 富勒烯

很多重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是有“先兆”的。1966年，David E.H.Jones［1］在科普周刊《新科學(xué)家》(New Scientist)發(fā)表了一篇題為“空心分子”的文章，提出空心石墨“氣球”的構(gòu)想。但這一想法過(guò)于理想化，且無(wú)事實(shí)依據(jù)，未能引起人們的關(guān)注。到20世紀(jì)70年代早期，Donald R.Huffman教授和Wolfgang Kratschmer博士用石墨揮發(fā)凝聚法得到微小碳粒，這種顆粒在紫外區(qū)域產(chǎn)生了類似于星際物質(zhì)的消光光譜。不過(guò)當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為碳單質(zhì)僅有金剛石和石墨兩種結(jié)構(gòu)，這種顆粒及其可能來(lái)源于石墨的吸收峰，并無(wú)研究?jī)r(jià)值。Huffman和Kratschmer只是簡(jiǎn)單地將其解釋為制造過(guò)程中不小心引入的雜質(zhì)，從而錯(cuò)過(guò)了重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。

與此同時(shí)，英國(guó)波譜學(xué)家H.W.Kroto推測(cè)遙遠(yuǎn)星際空間的紅巨星的富碳?xì)夥罩泻星杌廴叉湢罘肿?HCnN，n＜15)，他希望通過(guò)模擬富碳?xì)夥蘸铣稍摲肿?，探索其形成機(jī)制。1984年，Kroto結(jié)識(shí)了萊斯大學(xué)研究原子簇化學(xué)的R.E.Smalley教授，對(duì)他們?cè)O(shè)計(jì)的激光超團(tuán)簇發(fā)生器很感興趣。1985年，Kroto，Smalley和Curl聯(lián)手合作，嘗試用激光轟擊石墨來(lái)制備氰基聚炔鏈狀分子。在成功獲得氰基聚炔鏈狀分子的同時(shí)，他們意外地在第二代團(tuán)簇束流發(fā)生器(AP2)的飛行時(shí)間質(zhì)譜上發(fā)現(xiàn)了60個(gè)碳原子(C60)和70個(gè)碳原子(C70)的特征峰，其中C60處的信號(hào)峰最為強(qiáng)烈。那么，這個(gè)由60個(gè)碳原子組成的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)究竟是什么呢?

他們嘗試把60個(gè)碳原子設(shè)計(jì)成類似于金剛石的正四面體結(jié)構(gòu)、石墨的層狀結(jié)構(gòu)和環(huán)狀多烯等多種分子結(jié)構(gòu)，然而，無(wú)論怎樣組合，這些結(jié)構(gòu)都帶有不飽和價(jià)鍵或碳原子支鏈，其化學(xué)性質(zhì)必然非常活潑，這與C60分子超常穩(wěn)定的事實(shí)不符。絞盡腦汁之際，Kroto想起了1967年加拿大蒙特利爾萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)中美國(guó)展覽館的造型——由五邊形和六邊形拼成的半球形建筑穹頂(圖1(a))，隨后，Smalley便設(shè)計(jì)了一個(gè)模型(圖1(b))，恰好搭出了60個(gè)頂點(diǎn)的完美對(duì)稱球體結(jié)構(gòu)。

圖1 蒙特利爾萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)美國(guó)館外觀(a)和C60分子構(gòu)型(b)

更令人感到驚奇的是，這個(gè)C60模型竟然與傳統(tǒng)的足球相同，是由20個(gè)六邊形和12個(gè)五邊形拼接而成，每個(gè)五邊形周圍環(huán)繞5個(gè)六邊形，每個(gè)六邊形周圍環(huán)繞6個(gè)五邊形，形成有60個(gè)頂點(diǎn)的完美球體。為了紀(jì)念網(wǎng)格穹頂帶給他們的靈感，他們最終決定以這位建筑師的名字巴克明斯特·富勒(Richard Buckminster Fuller)命名這個(gè)分子巴克明斯特富勒烯(Buckminster Fullerene)。1985年11月，一篇題為“C60:Buckminster Fullerene”的論文發(fā)表在Nature雜志上［3］，引起學(xué)術(shù)界強(qiáng)烈反響。大多數(shù)科學(xué)家沒(méi)有想到碳單質(zhì)除了石墨、金剛石和無(wú)定型碳之外，還可以以第4種同素異形體的形態(tài)出現(xiàn)。而且，許多人對(duì)所謂“足球籠狀分子”表示強(qiáng)烈的懷疑:僅憑一個(gè)質(zhì)譜圖上的尖峰，怎么能證明一個(gè)如此復(fù)雜美妙的分子結(jié)構(gòu)?由于當(dāng)時(shí)的合成技術(shù)還無(wú)法制備足量的樣品用于其他光譜表征，Kroto，Smalley和Curl也就無(wú)法給出更多的證據(jù)說(shuō)明這種結(jié)構(gòu)的存在。所以，對(duì)于很多科學(xué)家來(lái)說(shuō)，富勒烯仍是一個(gè)不切實(shí)際的幻想，許多質(zhì)疑“足球分子”存在的文章也紛紛出爐。到了1989年，C60的研究跌到了最低谷，全世界范圍內(nèi)相關(guān)研究文章數(shù)目?jī)H有24篇。

直至1990年，Huffman和Kratschmer［4］在實(shí)驗(yàn)室合成了大量C60和13C60材料，并測(cè)定了C60分子的確切結(jié)構(gòu)。同年，Kroto［5］利用C70的核磁共振譜線證實(shí)了富勒烯的封閉球形結(jié)構(gòu)以及不同穩(wěn)定性的富勒烯的存在。此后，世界范圍內(nèi)相關(guān)研究文章和專利數(shù)目呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。1991年，C60被美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)為年度分子(the molecule of the year)，Kroto，Smalley和Curl也因發(fā)現(xiàn)富勒烯而于1996年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，但此前發(fā)現(xiàn)吸收光譜類似于星際物質(zhì)的微小碳粒的Huffman和Kratschmer卻未能獲此殊榮。

富勒烯是一系列由純碳組成的原子簇的總稱。它們是由非平面的五元環(huán)、六元環(huán)等構(gòu)成的封閉式空心球形或橢球形結(jié)構(gòu)的共軛烯烴。其中，C60的分子結(jié)構(gòu)為球形32面體，是由60個(gè)碳原子以20個(gè)六元環(huán)和12個(gè)五元環(huán)連接而成的具有30個(gè)碳碳雙鍵的球狀空心對(duì)稱分子。與石墨相似，C60中每個(gè)碳原子與周圍3個(gè)碳原子形成3個(gè)σ鍵。C原子采取sp2.28雜化，用3個(gè)雜化軌道形成σ鍵，每個(gè)C原子剩下的一個(gè)軌道與球面成101.6°，形成離域π鍵，故具有芳香性。

1.2 碳納米管

人們普遍認(rèn)為碳納米管是由日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家飯島澄男(Sumio Iijima)于1991年發(fā)現(xiàn)的。其實(shí)，早在1952年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Radushkevich和Lukyanovich［6］就發(fā)現(xiàn)了直徑50nm的單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)，只是沒(méi)有得到應(yīng)有關(guān)注。1976年，Oberlin，Endo和Koyama［7］用化學(xué)氣相生長(zhǎng)技術(shù)得到納米碳纖維。1987年，Howard G.Tennent甚至申請(qǐng)了納米碳管的專利。然而只有飯島澄男細(xì)致地研究了富勒烯產(chǎn)品里的“垃圾”并發(fā)表了有關(guān)碳管的形貌、尺寸和形成機(jī)理等的文章。飯島澄男的文章發(fā)表后迅即引起世人的關(guān)注，開(kāi)啟了碳納米管研究的熱潮，飯島澄男本人也摘得了碳納米管發(fā)現(xiàn)者的桂冠。當(dāng)飯島澄男回答質(zhì)疑他是否是碳納米管發(fā)現(xiàn)者的問(wèn)題時(shí)，他只說(shuō)了一句:發(fā)表一張圖片并不是科學(xué)。

其實(shí)，飯島澄男的研究初衷并不在于碳納米管，此前，他一直致力于高分辨率電子顯微技術(shù)的研究。高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的重大突破使飯島澄男成為眾多高溫超導(dǎo)材料研究者中的一員，他希望能利用世界先進(jìn)的電子顯微技術(shù)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)材料的超導(dǎo)機(jī)制。他嘗試了元素周期表中所有的金屬和半導(dǎo)體元素，但卻一無(wú)所獲。此時(shí)，富勒烯結(jié)構(gòu)及其存在打破了人們長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)碳單質(zhì)的習(xí)慣性認(rèn)知，而且，這種新型碳單質(zhì)展現(xiàn)出良好的超導(dǎo)性質(zhì)。飯島澄男此時(shí)才發(fā)現(xiàn)，自己之前嘗試的眾多元素里并沒(méi)有C。那么這種最為常見(jiàn)的元素單質(zhì)是不是最終的答案呢?他重新燃起了對(duì)高溫超導(dǎo)材料的熱情，投入到富勒烯研究中。實(shí)際上，此前已有眾多科學(xué)家嘗試了大量合成方法，然而產(chǎn)品純度并不高，得到的富勒烯產(chǎn)物中總是混有大量“雜質(zhì)”。對(duì)于這些富勒烯的粗產(chǎn)品，其他科學(xué)家大多只是進(jìn)行了除雜提純。然而，飯島澄男卻對(duì)這些副產(chǎn)品產(chǎn)生了興趣，還用電鏡進(jìn)行了觀察。出乎意料的是，這些副產(chǎn)品中含有大量不同尺寸的管狀結(jié)構(gòu)，其形貌與富勒烯相去甚遠(yuǎn)。隨后，飯島澄男把相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Nature上［8］，由此，碳納米管正式走入人們的視野，并以其良好的物理學(xué)和化學(xué)性能吸引了多領(lǐng)域?qū)＜业臉O大關(guān)注，掀起了另一種碳納米結(jié)構(gòu)的研究熱潮(圖2)。

圖2 扶手椅型和鋸齒狀碳納米管以及彎曲部位碳環(huán)示意圖

碳納米管是一種徑向尺寸較小的管狀碳分子，其中單壁碳納米管的直徑通常僅有1～2nm，而其長(zhǎng)度一般在微米量級(jí)，長(zhǎng)徑比大，是典型的一維納米材料。管上的每個(gè)碳原子采取sp2雜化，與周圍3個(gè)碳原子之間以碳-碳σ鍵相結(jié)合，形成由六邊形的蜂窩狀結(jié)構(gòu)作為碳納米管的骨架。每個(gè)碳原子上未參與雜化的一對(duì)p電子共同形成跨越整個(gè)碳納米管的共軛π電子云。碳納米管的彎曲部位由五邊形和七邊形的碳環(huán)組成。當(dāng)六邊形逐漸延伸出現(xiàn)五邊形時(shí)，碳納米管就會(huì)凸出;而七邊形出現(xiàn)則會(huì)使其凹進(jìn)。如果五邊形出現(xiàn)在碳納米管的頂端則成為碳納米管的封口(圖2)［9］。

1.3 石墨烯

2004年，石墨烯(一種僅有一層碳原子厚度的新型碳材料)在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室誕生，并迅速轟動(dòng)了科學(xué)界。為此，曼徹斯特大學(xué)的Andre K.Geim和Konstantin Novoselov［10］獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯是迄今已知的最薄最硬、導(dǎo)電性能最好的材料。這種神奇物質(zhì)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，相當(dāng)于單層石墨，即碳原子的二維平面排布(圖3)。早在1918年，V.Kohlschütter和P.Haenni就提出了單層原子模型，并詳細(xì)地描述了石墨氧化物紙(graphite oxide paper)的性質(zhì)，20世紀(jì)40年代，P.R.Wallace在理論上預(yù)測(cè)了石墨烯結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性能。但是，在Geim和Novoselov成功制得石墨烯之前，它一直被認(rèn)為是不可能完成的任務(wù)。1934年，Peierls指出準(zhǔn)二維晶體熱力學(xué)不穩(wěn)定，不能在非絕對(duì)零度下存在。1966年，Mermin和Wagner提出Mermin-Wagner理論，指出長(zhǎng)的波長(zhǎng)起伏也會(huì)使長(zhǎng)程有序的二維晶體受到破壞。因此碳原子平面結(jié)構(gòu)一直都僅僅是一個(gè)理想模型，無(wú)法大量制備。而Geim等人卻利用了簡(jiǎn)單的機(jī)械剝離法制備出單層石墨烯:先用透明膠帶在鉛筆的鉛芯表面粘貼、揭下石墨薄片，然后將膠帶對(duì)折粘貼，再次撕開(kāi)，使石墨薄片變薄，如此重復(fù)數(shù)十次，直到分離出單層或數(shù)層石墨烯為止。

圖3 石墨烯結(jié)構(gòu)

Geim認(rèn)為，在發(fā)展成熟的領(lǐng)域很難有新的突破;而開(kāi)辟一個(gè)新的領(lǐng)域反而更容易得到有價(jià)值的結(jié)果。Geim曾對(duì)碳納米管研究產(chǎn)生濃厚興趣，但他認(rèn)為自己入門較晚，從事碳管研究難以達(dá)到先進(jìn)水平，必須轉(zhuǎn)換視角，尋求一個(gè)全新的方向。與此同時(shí)，他發(fā)現(xiàn)人們對(duì)石墨這種極為常見(jiàn)的物質(zhì)關(guān)注不多，知之甚少，如果嘗試去研究超薄石墨層的電子結(jié)構(gòu)，或許能有所收獲。

最初，Geim嘗試使用打磨的方法得到石墨薄片，但是打磨到極限也只能得到10層原子厚度的產(chǎn)品。后來(lái)，他們無(wú)意中發(fā)現(xiàn)，研究組的技術(shù)員在搭建低溫掃描隧道顯微鏡時(shí)，用透明膠帶粘掉石墨表層來(lái)清潔樣品。于是，他們另辟蹊徑，利用簡(jiǎn)單的透明膠帶分離石墨法得到了單層石墨烯材料。此前，許多科學(xué)家嘗試過(guò)極為復(fù)雜的分離方法，卻都未能制備出石墨烯薄膜。他們?cè)趺匆矝](méi)想到，一卷透明膠帶和一支鉛筆，竟然創(chuàng)造了奇跡。石墨是若干碳原子平面平行堆疊而成，在同一平面內(nèi)，相鄰碳原子之間依靠共價(jià)鍵結(jié)合，十分牢固;而相鄰平面之間依靠相對(duì)較弱的范德華力維系，很容易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，膠帶粘結(jié)的力量就足以剝離不同石墨層，而石墨層內(nèi)碳原子之間的共價(jià)鍵卻不會(huì)受損。至此，“準(zhǔn)二維晶體熱力學(xué)不穩(wěn)定”的說(shuō)法也就不攻自破了［11］。

2 啟示與思考

3種碳納米結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)歷程蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)精神和探索方法，給科學(xué)工作者以寶貴的經(jīng)驗(yàn)和啟示。

2.1 給偶然以機(jī)會(huì)

在科學(xué)史上，許多重大發(fā)現(xiàn)最初并非理性產(chǎn)物。C60分子就是Kroto等人在研究星際塵埃并成功合成氰基聚炔鏈狀分子時(shí)意外發(fā)現(xiàn)的。其實(shí)，在此之前，已經(jīng)有兩個(gè)分子團(tuán)簇研究小組觀察到了C60的尖峰，但卻沒(méi)有進(jìn)一步推斷其分子結(jié)構(gòu)，與唾手可得的偉大發(fā)現(xiàn)擦肩而過(guò)。Kroto等人沒(méi)有單純地將其解釋為雜質(zhì)，而是進(jìn)行深入研究和探索，并作出大膽假設(shè)，完成了人類對(duì)碳單質(zhì)認(rèn)知的新突破。

碳納米管的發(fā)現(xiàn)更充滿戲劇性。飯島澄男在富勒烯發(fā)現(xiàn)之后，曾致力于其高溫超導(dǎo)的研究。當(dāng)時(shí)，眾多科學(xué)家致力于制備高純度富勒烯，但得到的產(chǎn)物總是混有大量副產(chǎn)品，飯島澄男恰恰對(duì)這些副產(chǎn)品產(chǎn)生了興趣。為什么富勒烯的收率總是不盡如人意呢?為什么副產(chǎn)品一次又一次出現(xiàn)?所有人都習(xí)慣了提純和除雜，而飯島卻能夠?qū)θ藗兪煲暉o(wú)睹的現(xiàn)象進(jìn)行反思。當(dāng)他把“雜質(zhì)”拿到電鏡下觀察，竟然發(fā)現(xiàn)大量碳管，可謂“踏破鐵鞋無(wú)覓處，得來(lái)全不費(fèi)工夫”。確實(shí)，“完美分子”富勒烯的魅力當(dāng)然遠(yuǎn)大于試管上黑乎乎的雜質(zhì)，而飯島澄男的可貴之處就在于他對(duì)未知事物有強(qiáng)烈的求知欲。

10多年之后，Geim也做出了令人拍案叫絕的工作。石墨烯的發(fā)現(xiàn)堪稱一卷透明膠帶創(chuàng)造的奇跡，他們的靈感來(lái)源只是Geim無(wú)意間看到實(shí)驗(yàn)室技術(shù)員用透明膠帶粘掉石墨表層來(lái)清潔樣品。在Geim研究制備石墨烯的同時(shí)，哥倫比亞大學(xué)的Philip Kim教授也在嘗試用原子力顯微鏡針尖在掃過(guò)石墨頂端時(shí)刮下幾片石墨烯，然而他們的嘗試并沒(méi)有成功。最終，透明膠帶完勝原子力顯微鏡。

機(jī)遇無(wú)處不在，然而只有善于尋找和發(fā)現(xiàn)的眼睛才能看到機(jī)遇。在科學(xué)研究過(guò)程中，機(jī)遇為科學(xué)研究提供了寶貴的線索，推動(dòng)了科技革命的進(jìn)程。3種新型碳納米材料的發(fā)現(xiàn)者都具備敏銳的觀察力、豐富的想象力、堅(jiān)韌的意志，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和捕捉機(jī)遇。機(jī)遇是屬于有準(zhǔn)備的人的，正如貝弗里奇的《科學(xué)研究的藝術(shù)》一書［12］中所說(shuō)，“有時(shí)，機(jī)遇帶給我們線索的重要性十分明顯，但有時(shí)只是微不足道的小事，只有很有造詣的人，其思想滿載著有關(guān)論據(jù)并已發(fā)展成熟適于作出發(fā)現(xiàn)，才能看到這些小事的意義所在?！?/p>

2.2 科學(xué)探索是追求美的過(guò)程

人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)自然的和諧之美時(shí)，總會(huì)贊嘆造物者的精妙。形似足球的外形圖案，60個(gè)頂點(diǎn)的完美結(jié)構(gòu)，富勒烯因其高度對(duì)稱之美被譽(yù)為最完美的分子;碳納米管作為一維納米材料，長(zhǎng)徑比大，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，管身呈現(xiàn)圓管結(jié)構(gòu)，軸向?qū)ΨQ，具有高度均一性。在諸多科學(xué)領(lǐng)域，“對(duì)稱”是一種最為基礎(chǔ)的美學(xué)要素。很多化學(xué)分子有高度對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，譬如苯環(huán)、冠醚、富勒烯等;而物理學(xué)領(lǐng)域中的守恒定律則反映了事物進(jìn)程或物理規(guī)律的對(duì)稱性。古希臘的畢達(dá)哥拉斯學(xué)派提出了和諧之美的概念，“一切立體圖形最美的是球體，一切平面圖形中最美的是圓形”。凱庫(kù)勒得益于其早年對(duì)建筑學(xué)的研究，才建立了優(yōu)美的正六邊形對(duì)稱的苯分子模型。而富勒烯的發(fā)現(xiàn)，也是源于薄殼拱頂建筑的高度對(duì)稱設(shè)計(jì);建筑的美學(xué)、團(tuán)簇分子的結(jié)構(gòu)、星際物質(zhì)、足球的形狀，在此奇妙地融為一體。

物理之美，其最典型、最深刻之處，恰恰在于簡(jiǎn)潔。石墨烯的發(fā)現(xiàn)使得原子層面上的研究變得更加簡(jiǎn)單。僅有單原子層厚度的蜂窩型二維石墨烯是世界上已知的最薄、最堅(jiān)硬的材料，由單層碳原子正六邊形平鋪而成。在石墨烯發(fā)現(xiàn)之前，原子層級(jí)的操控往往需要昂貴儀器和繁瑣操作，而石墨烯制備簡(jiǎn)便、性質(zhì)穩(wěn)定，迄今為止，仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況，大大簡(jiǎn)化了相關(guān)研究。而Geim等人的膠帶剝離法更是將“簡(jiǎn)潔”二字發(fā)揮到了極致，不需要任何昂貴儀器和分離試劑，即可獲得有價(jià)值的產(chǎn)品。

科學(xué)史學(xué)家J.W.N.Sullivan的一句話很好地概括了科學(xué)之美的奧義:“引導(dǎo)科學(xué)家的動(dòng)力，歸根結(jié)底是美學(xué)沖動(dòng)的表示?！?/p>

2.3 懷疑精神和創(chuàng)新意識(shí)是科學(xué)創(chuàng)造的基石

科學(xué)的懷疑精神就是要敢于挑戰(zhàn)常識(shí)和權(quán)威。富勒烯發(fā)現(xiàn)之前，人們對(duì)碳單質(zhì)的研究早已失去興趣，誰(shuí)也沒(méi)有預(yù)料到，除了石墨和金剛石之外，竟然還存在其他的碳單質(zhì)。而碳納米管更是被許多科學(xué)家當(dāng)作雜質(zhì)除掉。沒(méi)有挑戰(zhàn)常識(shí)的勇氣，科學(xué)是不可能發(fā)展的。其實(shí)，現(xiàn)代科學(xué)的誕生正是發(fā)揚(yáng)懷疑精神的結(jié)果:科學(xué)的先驅(qū)們選擇相信真理，率先質(zhì)疑了神創(chuàng)論，推翻了時(shí)人賴以生存的心理支柱，才使得科學(xué)文明開(kāi)始蓬勃發(fā)展。當(dāng)然，僅僅具有懷疑精神是不夠的，科學(xué)的懷疑精神必須建立在反復(fù)求證的基礎(chǔ)上，即對(duì)各種主張用嚴(yán)密的邏輯進(jìn)行分析，用大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行求證，全面、真實(shí)地反映客觀存在規(guī)律?？茖W(xué)的先驅(qū)者之所以偉大，并不僅僅因?yàn)樗麄兏挥趧?chuàng)新精神，不畏權(quán)威，不被常識(shí)所束縛，更是因?yàn)樗麄冃欧钫胬?，追求理性和?shí)證。

在科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程中，好奇心往往是許多重大發(fā)現(xiàn)的根源?？茖W(xué)既然著重于對(duì)未知事物的探求，那么一味模仿前人是不可取的;一個(gè)富于創(chuàng)新精神的科學(xué)家，就是能夠站在全新的視角去看舊問(wèn)題。Geim并不是嘗試制備石墨烯的第一人，在他之前，無(wú)數(shù)科學(xué)家做了大量工作，始終未能成功，繼而認(rèn)定制備石墨烯是不可能完成的任務(wù)。而Geim從前人的無(wú)數(shù)失敗中，看到了傳統(tǒng)方法的局限性，這才有了膠帶剝離法的奇妙創(chuàng)意。一個(gè)重大研究成果的發(fā)現(xiàn)，有時(shí)不一定如人們?cè)O(shè)想的那樣艱難。當(dāng)我們?cè)谝粭l路上歷盡千辛萬(wàn)苦仍一無(wú)所獲時(shí)，不妨回到原點(diǎn)，另辟蹊徑，成功或許并不遙遠(yuǎn)。

當(dāng)然，科學(xué)研究的道路絕非一片通途，錯(cuò)誤和曲折在所難免。我們?cè)诟袊@前人思維的巧妙和簡(jiǎn)潔的同時(shí)，必須意識(shí)到在那一閃念的靈感之前，要?dú)v經(jīng)無(wú)數(shù)失敗，苦心鉆研，殫精竭慮，才能捕捉到那偶然的火花。

2.4 合作是科學(xué)研究的前提

正如英國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家查德威克(James Chadwick)所說(shuō)，先進(jìn)的科學(xué)知識(shí)通常是很多人的勞動(dòng)成果。個(gè)體的認(rèn)知能力是有限的，在現(xiàn)代科學(xué)的探索過(guò)程中，不同學(xué)科、不同專長(zhǎng)、不同來(lái)歷的科學(xué)家往往能夠更為全面地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的關(guān)鍵。Kroto在研究星際物質(zhì)中富含碳的塵埃時(shí)，對(duì)氰基聚炔鏈狀分子產(chǎn)生了濃厚興趣，但沒(méi)有相應(yīng)的儀器設(shè)備。后來(lái)，Kroto赴美結(jié)識(shí)了萊斯大學(xué)研究原子簇化學(xué)的Smalley教授，利用他們自行設(shè)計(jì)的激光超團(tuán)簇發(fā)生器，才得到了一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)。Konstantin Novoselov博士是Geim教授的博士生及長(zhǎng)期合作者，兩人通力合作完成單層石墨烯的制備和研究并共享諾貝爾獎(jiǎng)。不同領(lǐng)域、不同背景的科學(xué)家之間的相互合作，不同思維方式的相互融合，促成了一個(gè)又一個(gè)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

總之，富勒烯、碳納米管、石墨烯這3種新型碳納米結(jié)構(gòu)的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)以及對(duì)其奇特物化性質(zhì)的研究，打開(kāi)了碳納米科學(xué)的大門，觸發(fā)了一個(gè)接一個(gè)的研究熱點(diǎn)，引領(lǐng)著人們從自然科學(xué)的必然王國(guó)向自由王國(guó)躍進(jìn)。

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莙政基金中國(guó)大學(xué)生見(jiàn)習(xí)研修計(jì)劃(No.12016)

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