2004年，曼徹斯特大學(xué)和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子工藝研究所的兩組物理團(tuán)隊(duì)共同合作，利用生活中常見的膠帶，折疊粘貼在石墨薄片兩邊，然后撕開，再粘貼，再撕開，不斷重復(fù)操作，最終撕出了僅由一層碳原子構(gòu)成的全新材料——石墨烯。這一成果不僅打開了材料科學(xué)的新方向：二維材料，也為領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛（Konstantin Novoselov）贏得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，隨后掀起二維材料研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的熱潮。

十多年以來，大眾始終殷切期盼這種新材料能讓人類技術(shù)的發(fā)展更上一層樓。那么，石墨烯產(chǎn)業(yè)究竟發(fā)展得怎么樣了？前不久，在上海召開的第五屆“世界頂尖科學(xué)家論壇”上，我們有幸遇到了被稱為“石墨烯之父”的安德烈·蓋姆，在隨后對他進(jìn)行的遠(yuǎn)程專訪中，蓋姆闡述了自己的觀察和判斷，同時(shí)介紹了自己與中國的合作情況。

采訪 、翻譯 | 小葉
Q：以石墨烯為代表的二維材料是如何進(jìn)入學(xué)界視野的？其特色是什么？
安德烈·蓋姆：我們一提到石墨烯，更確切地說是泛指一類全新的材料：二維材料，石墨烯恰恰是這類材料的代表性物質(zhì)，由一層單原子或單分子組成。2003到2004年，我們最先發(fā)現(xiàn)了石墨烯的存在，半年之后，我們課題組發(fā)表了另外一篇論文，也就是這篇論文讓我們獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。我們確認(rèn)石墨烯不是唯一的二維材料，它還有很多“兄弟姐妹”，目前估計(jì)有一百多種，它們也和石墨烯一樣，都能以薄薄一層原子的結(jié)構(gòu)作為材料而存在。
一開始，我們投入所有精力理解石墨烯的特性，在最開始三、四年的石墨烯研究表明，當(dāng)你從塊體材料中剝離出薄薄一層原子尺度的結(jié)構(gòu)之后，后者表現(xiàn)出的特性完全不同于原來的體材料特性。例如，石墨很柔軟，但石墨烯是強(qiáng)度最高的二維材料之一，同時(shí)它的導(dǎo)電性超過銅、導(dǎo)熱性能超過金剛石。此外，它還很像晶體材料，會(huì)折斷，有別于軟綿綿如同橡膠一樣的石墨，石墨能被拉伸變形，之后還能恢復(fù)原形。越來越多的人專門研究石墨烯，因?yàn)樗蜷_了新物理學(xué)、新材料科學(xué)的大門。
后來，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)并研究了其他二維材料，有些材料的性質(zhì)可能不如石墨烯那么出色，可能與石墨烯的特性完全相反，比如我們找到一種名為“白色石墨烯”的材料——六方氮化硼，這恰好是完美的絕緣材料。還有二硫化鉬，它雖然也沒有石墨烯那么優(yōu)秀，但卻是絕佳的半導(dǎo)體材料，當(dāng)設(shè)計(jì)電子器件時(shí)，我們更傾向于選擇二硫化鉬。
總而言之，十多年前，我們周圍所有的材料都是三維材料，有長度、寬度和厚度。然后，我們發(fā)現(xiàn)了一類新材料，竟然厚度只有一個(gè)原子或者分子層那樣薄，之前我們完全不知道它們的存在，甚至認(rèn)為不可能存在。從某種程度上來說，二維材料的發(fā)現(xiàn)給材料科學(xué)帶來了革新。

Q：約二十年過去了，石墨烯的實(shí)際應(yīng)用取得了怎樣的發(fā)展水平？
安德烈·蓋姆：我想要明確一點(diǎn)，我們在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)發(fā)現(xiàn)了某一新材料之后，一般需要40到70年時(shí)間才能讓實(shí)驗(yàn)室材料完全轉(zhuǎn)化成商業(yè)產(chǎn)品。硅就是很好的例子，我們用了大約100多年的時(shí)間，才實(shí)現(xiàn)了硅在各領(lǐng)域的應(yīng)用?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)無法想象沒有硅芯片、硅產(chǎn)品的生活。鋁也是如此，這是一種非常柔軟的金屬材料，但也是用了很長時(shí)間才最終走進(jìn)了千家萬戶。
石墨烯優(yōu)點(diǎn)眾多：強(qiáng)度高、輕薄、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能卓越。而且，我們還用了最短的時(shí)間讓石墨烯走出實(shí)驗(yàn)室，投入產(chǎn)業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)中。
以鋰離子電池為例，如今新能源電動(dòng)汽車以及其他器件中都裝配有鋰離子電池，大部分情況下，這些鋰離子電池里含有石墨烯，以前以石墨為主，如今用石墨烯替換掉石墨，能夠提升約百分之幾的電池效率，僅僅這百分之幾已經(jīng)能算作很大的進(jìn)步了。此外，石墨烯也逐漸擴(kuò)展應(yīng)用到其他領(lǐng)域，例如道路建設(shè)，還有其他復(fù)合型材料，比如橡膠、塑料和石墨烯復(fù)合以提高導(dǎo)電性能。
Q：如今市場上有很多“石墨烯產(chǎn)品”，那么石墨烯最終有望引領(lǐng)技術(shù)乃至產(chǎn)業(yè)界的徹底革新嗎？
安德烈·蓋姆：人們當(dāng)然希望出現(xiàn)一些革命顛覆性的產(chǎn)品，不是說石墨烯沒有這種可能，只是到目前為止，我們還沒有走到這個(gè)階段。石墨烯被認(rèn)為是微電子領(lǐng)域的優(yōu)良材料，但我認(rèn)為其他二維材料也并不遜色，如果有一天石墨烯的其他“兄弟姐妹”材料完全替代了硅，而石墨烯讓出了“領(lǐng)跑者”的位置，我本人并不會(huì)感到驚訝。
如今，僅中國一地，每年企業(yè)平均生產(chǎn)出數(shù)百噸石墨烯，但大部分是石墨烯粉末，將粉末摻雜入電池、塑料中，可以改變原材料的特性，摻雜入油漆中，可以讓油漆更加持久耐用，從而節(jié)省成本，實(shí)現(xiàn)環(huán)保目的。但在我看來，這些不能算是真正的石墨烯產(chǎn)品。我們可以看到它們被稱作“石墨烯油漆”、“石墨烯電池”，但我們應(yīng)該清楚地知道，其實(shí)石墨烯只是稍微增強(qiáng)了原消費(fèi)品的性能，而市場上有成百上千這樣的所謂“石墨烯產(chǎn)品”，但我認(rèn)為從現(xiàn)實(shí)意義上來說，它們并不是革命性的、顛覆性的產(chǎn)品，石墨烯在其中發(fā)揮了作用，但還沒有驚人到?jīng)]了石墨烯就不行的地步。
Q：2017年，與石墨烯相關(guān)專利數(shù)量登峰造極，隨后則呈減少趨勢，但國際上相關(guān)專利競爭仍然激烈。您認(rèn)為專利對于石墨烯的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化有什么意義？
安德烈·蓋姆：我大約有10項(xiàng)專利，但我個(gè)人非常懷疑所謂專利的必要性，因?yàn)樘岬綄＠偷酶跺X。在我看來，專利往往只給專利法律師帶來利益。如果你的產(chǎn)品已經(jīng)準(zhǔn)備好投放市場，那么你需要專利來保護(hù)自己的產(chǎn)品免受競爭對手的攻擊。但如果你只是還在思考探索階段，也沒有開什么公司，那暫時(shí)沒有必要考慮什么專利的問題。
Q：無論哪個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界之間總存在一定差距。根據(jù)您的親身經(jīng)歷，在材料科學(xué)領(lǐng)域，您是如何彌補(bǔ)此間差距的呢？
安德烈·蓋姆：如何彌補(bǔ)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界之間的差距是一個(gè)非常重要的問題，因?yàn)檫@種差距隨時(shí)隨地都存在。以我自己研究的眾多情況為例，我們能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自己制造出一些設(shè)備器件，但往往只是尺寸非常微小的器件，不過性能極佳。然后，過了一段時(shí)間之后，產(chǎn)業(yè)界的專家偶然間看到了我們實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的商業(yè)化可能性，他們就跑來問我們有沒有興趣和他們合作，建立工廠，大規(guī)模成批量地生產(chǎn)出數(shù)千噸的產(chǎn)品。
但我們這些在實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家沒有實(shí)際生產(chǎn)的專業(yè)知識，也沒有那么多時(shí)間，我們專注于研究其他課題。而產(chǎn)業(yè)界的專家沒有掌握擴(kuò)大規(guī)模的專業(yè)知識。因此，這兩個(gè)世界之間存在著難以跨越的“鴻溝”。眾所周之，世界各地的政府都嘗試采取行動(dòng)來彌補(bǔ)這種差距，他們會(huì)成立一些半盈利的政府組織，從學(xué)術(shù)思路的設(shè)計(jì)到中間準(zhǔn)備階段的技術(shù)，再到高級技術(shù)，以便讓產(chǎn)業(yè)界更容易跨過“鴻溝”，與學(xué)術(shù)界搭建起合作的橋梁。
Q：您在曼徹斯特大學(xué)任教期間與中國學(xué)生有過怎樣的合作經(jīng)歷？您對中國學(xué)生的評價(jià)如何？
安德烈·蓋姆：這么多年來，我已經(jīng)指導(dǎo)過幾十名中國的博士生、博士后研究員。我本人更喜歡與博士生一起工作，他們都很有耐心，不急于求成。我們一起合作探索，展開研究大冒險(xiǎn)，開啟一些創(chuàng)新的研究工作。我曾經(jīng)有一個(gè)中國博士生，我們一起畫草圖，這樣的例子很多。甚至從頭開始研究，例如原子尺度的質(zhì)子傳導(dǎo)材料研究，就是和中國博士生一起完成的。
每個(gè)中國留學(xué)生都有自己的優(yōu)勢和短板，但其中一些博士生、博士后確實(shí)是非常優(yōu)秀的人才，他們很多如今已經(jīng)返回中國，展開自己的科研生涯。我希望他們能夠從我這邊學(xué)到東西，科研要懷抱冒險(xiǎn)精神，同時(shí)也秉持專業(yè)態(tài)度，另外也要學(xué)會(huì)如何發(fā)表更多更有影響力的科研論文。我會(huì)繼續(xù)和他們合作。
另外，現(xiàn)在我正在和我以前的博士生一起撰寫一篇論文。今年我已經(jīng)和以前的博士生一起發(fā)表了兩篇論文，一些研究成果來自中國，另外一些來自曼徹斯特大學(xué)。我們將所有結(jié)果結(jié)合到一起，因?yàn)椴⒎撬性O(shè)備都集中在某一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，有些在中國，有些在英國。兩地合作研究，可以讓我們獲得更多、更有影響力的研究結(jié)果。
Q：2017 年12月，清華大學(xué)與深圳市攜手共建的“深圳蓋姆石墨烯研究中心”以您的姓名命名，您如何參與、指導(dǎo)這個(gè)研究中心的科研活動(dòng)？
安德烈·蓋姆：對，深圳的“石墨烯研究中心”是與清華伯克利深圳學(xué)院共同建立的，這也是我與中國科學(xué)院院士成會(huì)明長期合作研究的成果之一，雖然我不會(huì)長期在深圳的石墨烯研究中心，但每年都會(huì)有訪問交流，我數(shù)了數(shù)自己護(hù)照上的中國簽證，2018年、2019年我差不多去了十多次深圳。在疫情之前，我們之間的訪問交流非常密集頻繁。疫情期間，雖然無法再來深圳了，但仍有很多遠(yuǎn)程合作，也發(fā)表了不少論文。我希望疫情過后能夠有機(jī)會(huì)再次拜訪深圳。

蓋姆在該研究中心演講 | 圖源：清華大學(xué)
毫不夸張地說，我們之間的合作是非常密集的，你們可以在百度上搜索我的姓名和深圳石墨烯研究中心，你們會(huì)找到很多論文，我們發(fā)表的成果對產(chǎn)業(yè)界也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，所有的合作“熱烈”而愉快，我覺得對“石墨烯研究中心”的一切投資都是非常有價(jià)值的。
感謝頂尖科學(xué)家論壇對本采訪的聯(lián)系和支持！

蓋姆簡介

物理學(xué)家，有荷蘭和英國雙重國籍。1958年10月出生于俄羅斯，1987年獲得俄羅斯科學(xué)院固體物理研究所博士學(xué)位?，F(xiàn)任英國曼徹斯特大學(xué)Regius教授和英國皇家學(xué)會(huì)研究教授。2000年，因利用磁懸浮技術(shù)懸浮青蛙而獲得“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”；；2010年，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他于2007年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會(huì)院士，2012年當(dāng)選為美國國家科學(xué)院外籍院士。2017年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士。