2010年諾貝爾物理學獎簡介及其對中學物理教學的啟示

　　摘要：本文簡要介紹了2010年諾貝爾物理獎獲得者安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫在石墨烯研究方面的成就，并概述了石墨烯的發現、特點及應用前景。在此基礎之上，本文還討論了2010年諾貝爾物理學獎對中學物理教學的啟示。
　　關鍵詞：諾貝爾物理獎；石墨烯；物理教學啟示
　　中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2011)2(S)-0029-3
　　
　　1 引言
　　
　　2010年的諾貝爾物理學獎授予了英國曼徹斯特大學的兩位科學家——安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，以表彰他們在石墨烯材料方面的“突破性實驗”。石墨烯（英文名：Graphene）僅有一個原子厚，但高度穩定，被認為是目前世界上最薄的材料。由于，石墨烯具有優異的電學、熱學和力學性能，迅速成為物理學和材料學的熱門研究對象。
　　
　　2 石墨烯的發現
　　
　　許多人說，今年的諾貝爾物理學獎可能最具娛樂性——海姆和他的學生諾沃肖洛夫用透明膠帶在制作鉛筆芯中發現了石墨烯這種二維平面材料［1］；曾經，海姆還利用磁力克服了重力，使一只青蛙懸浮在半空中，而獲得“搞笑諾貝爾獎”。正是這種，寓科研于娛樂的科研氛圍和對未知世界濃厚的探究興趣，促成了石墨烯這一重大發現。其實，他們的成功并不是偶然的；只有擁有了堅實的科研基礎，才會選對研究方向，才會有這樣的“突破性實驗”。
　　眾所周知，我們無論如何也不可能用透明膠布從鐵皮上粘出一層鐵原子。然而，海姆他們從鉛筆芯的石墨中粘出了一層碳原子。其中，他們就利用了石墨晶體的特殊性質——既有分子晶體又有原子晶體。石墨晶體中分為許多層(如圖1a)，每一層間存在著范德華力（層與層之間的距離為0.345nm），每一層又是由許多碳原子以共價鍵構成的正六邊形（碳原子間的距離為0.142nm）組成。由于可見，層間的分子間范德華力弱，石墨晶體的層與層之間容易滑動或是剝離；而每一層中相鄰的三個碳原子以σ鍵結合而形成的六角網格又非常牢固……因此，科學家們就可以利用透明膠布粘取出石墨單晶層——石墨烯。當年，海姆和諾沃肖洛夫就從類似鉛筆芯的石墨碎片中剝離出較薄的石墨薄片，接著利用普通膠帶粘住薄片的兩側，撕開膠帶，在耐心的不斷重復后，得到越來越薄的石墨薄片，最后制成由一層碳原子構成的石墨烯(如圖1b)。
　　
　　3 石墨烯的特點及應用前景
　　
　　石墨烯不單因為薄而出名，還因為它的特殊性質而出眾。美國的一個物理研究小組經過大量的實驗，發現石墨烯是現在世界上已知的最為牢固的材料。實驗發現，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100 納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2.9 微牛。如果，用石墨烯做成包裝袋，那它將能承受大約兩噸重的物品。可以想象，將能承受如此高壓的材料應用于工程和電子器件中，將會展現出多么優異的性能。例如，可以開發出如紙片般薄的超輕型飛機材料、可以制造出超級堅韌的防彈衣，甚至可能是“太空電梯”纜線的最佳材料。
　　在發現石墨烯以前，大多數物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，石墨烯這種穩定二維材料的發現，當即震撼了凝聚態物理界。
　　現在，眾所周知的集成電路晶體管普遍采用硅材料制造，但當硅材料尺寸小于10納米時，用它制造出的晶體管穩定性變差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1個分子大小的單電子晶體管。此外，石墨烯高度穩定，即使被切成1納米寬的元件，導電性也很好。因為，石墨烯中的電子是沒有質量的，且是以恒定的高達106m/s速率移動。且石墨烯的室溫量子霍爾效應，無質量狄拉克費米子型載流子（電子）的遷移率也非常高［2］。因此，石墨烯被普遍認為會最終替代硅，從而引發電子工業革命。例如，它可以用來生產透明觸摸屏、燈光板、太陽能電池、甚至是超級計算機等。
　　
　　4 對物理教學的啟示
　　
　　同時，2010年諾貝爾物理獎的獲得者——海姆師徒二人的研究經過也給我們物理教育者帶來很多的啟示：
　　（1）老師可以適當加強對自主探究式實驗的重視，及時進行指導，提高同學們的創新意識以及發現問題、解決問題的能力。
　　（2）課堂中，老師可以多注重引導同學們的積極主動的思考，增進師生交流，加強同學們學習的主動性。
　　（3）同時，老師也可以適時調動同學們間的生生交流，提高同學們間的交流與合作意識，共同解決一些較復雜問題。
　　（4）此外，老師還可以適當加強課堂教學知識與社會科技發展的聯系，增強同學們的物理學習興趣及學以致用的能力，并可以讓同學們在愉悅的氛圍中交流、學習提高。
　　
　　5 結語
　　
　　任何一項科學成就的取得，都并非是偶然的，創新一直是當前的一個熱門話題，作為一個中學物理教師，讓我們在日常教學中，引導同學在自主、合作的學習氛圍中，了解知識的產生和發展過程，提高實驗技能和創新意識，增強理論聯系實際的能力。物理學的發展日新月異，2011年已經到來，石墨烯材料會帶給我們更多驚喜嗎?今年的諾貝爾物理學獎又將花落誰家?讓我們拭目以待吧。
　　
　　參考文獻：
　　［1］Novoselov K S，Geim A G，Morozov S V，eta1．Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films［J］．Science，2004，306：666-669．
　　［2］馬圣乾，裴立振，康英杰.石墨烯研究進展［J］ .現代物