曹原的青春故事：震驚世界的21歲中國科學家

王玉琴

2018年3月5日，一個重磅消息瞬間引爆學術(shù)圈，讓全世界學者都望塵莫及的《自然》雜志，竟然一天之內(nèi)連續(xù)刊登兩篇中國留學生曹原寫的“石墨烯超導”論文。令人震驚的是，這個滿臉稚氣的21歲博士生，破解了困擾物理學界107年的世界難題，或?qū)⒁l(fā)全球新材料革命！其研究成果可應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)施、電網(wǎng)設(shè)備、電子產(chǎn)品等生活設(shè)施中，更可以在超級計算機、超級高鐵等前沿科技中大展身手。如今，他已擁有了百萬“粉絲”，被網(wǎng)友譽為“科學大神”。

英雄出少年，中國科技大學的傳奇人物

曹原1996年出生于四川成都，3歲隨父母遷入深圳。他從小就是大人口中“別人家的孩子”：僅用2年時間就讀完了初中和高中的全部課程；14歲的他更是以高考理科669分的成績考入聲名赫赫的中國科學技術(shù)大學少年班學院，并入選“嚴濟慈物理英才班”。天才輩出的中科大少年班競爭激烈，曹原在其中卻如魚得水。

同校的網(wǎng)友說，經(jīng)常在各大教授的辦公室看到胸前掛著鑰匙的曹原一臉認真地請教問題。有趣的是，中科大教計算物理課的丁澤軍教授，因教學嚴謹、苛刻，讓許多學生“聞風喪膽”，人稱“丁老怪”。但這位“老怪”卻對曹原贊賞有加，說曹原是“很聰明的家伙”。原來 ，教授只要把題目交給他，他一定會想辦法做出來。如果計算遇到困難，他會主動嘗試其他的軟件方法。丁教授每年上計算機物理課緒論時，都會提到曹原。

與常見的只顧埋頭讀書、做實驗的學生不同，曹原不僅性格活潑開朗，而且愛好廣泛，他喜歡文學、運動、計算機，朋友圈還經(jīng)常發(fā)有關(guān)天文觀測的照片。才氣過人的天才往往持才傲物，但曹原卻非常低調(diào)謙虛，在班里頗有人緣。雖然學習成績特別突出，但曹原并不覺得自己比同齡人聰明多少，只是他比較愛讀科技類課外書，為現(xiàn)在的知識面打下了很好的基礎(chǔ)。曹原認為自己的動手能力是得益于放學后經(jīng)常在家研究電子電路和化學實驗。

曹原對化學和物理非常感興趣，高中學業(yè)十分繁忙，他放學到家已經(jīng)很晚了，但依舊要花1個多小時的時間研究各種化學試劑。做化學實驗所需的硝酸銀很貴，也很難買到，他就買來了硝酸，把媽媽的銀鐲子放了進去，人工合成硝酸銀。他還曾在深圳花了整個下午逛電子市場，買了很多電子原件回家組裝電路。在大二時他還做過一個可以產(chǎn)生一米長的高壓放電火花、可以用電火花放歌的特斯拉線圈裝置。這些實驗都很折騰人，又有一定的風險，但父母一直都很支持兒子，這點讓曹原非常感激。

2012年，曹原被選為首批交流生赴密歇根大學學習；次年6月，又被牛津大學選中，受邀做兩個月的科研實踐。2014年，18歲的曹原榮獲中科大本科生最高榮譽獎——郭沫若獎學金。

2016年，曹原在進行物理學課題研究時，在美國物理學會主辦的高水平學術(shù)期刊PRL上發(fā)表了一篇理論文章，而且所用時間很短——在一個寒假內(nèi)做完，并且在業(yè)內(nèi)深獲好評，很快，這個大男孩在中國科技大學就成了“傳說級的人物”。

石破天驚，讓石墨烯實現(xiàn)“超導”

2016年從中科大畢業(yè)后，曹原在牛津大學實踐時的導師陳宇林教授，推薦他前往美國麻省理工學院MIT電氣工程與計算機科學系，攻讀博士學位，師從著名物理學家巴勃羅·哈里羅·埃雷羅。

期間，在教授指導下，曹原開始重點研究關(guān)于石墨烯材料“超導電性”的尖端課題。曹原知道，1911年，荷蘭物理學家海克等人發(fā)現(xiàn)當汞被冷卻至接近-273℃時，電子可以通行無“阻”。他們將這個“零電阻狀態(tài)”稱為“超導電性”。曹原說，具有超導電性的材料有很強的應(yīng)用價值，因為，一般材料在導電過程中會消耗大量能量。以傳輸電纜為例，從發(fā)電站到用戶的傳送過程中，消耗損失的能量越小，經(jīng)濟效益越大。超導體的出現(xiàn)，使傳輸過程中的能量損耗幾乎為零。

但遺憾的是，超導體要在接近絕對零度（-273℃）的環(huán)境下，才能顯現(xiàn)其近乎0損耗輸電的能力，而這其中的材料，冷卻成本卻高得讓人絕望?！叭绻牧夏茉谑覝叵聦崿F(xiàn)超導，就能避開昂貴的冷卻費，徹底改變能量傳輸、醫(yī)療掃描儀和運輸?shù)认嚓P(guān)領(lǐng)域的現(xiàn)狀?！钡@種合適的“低成本超導材料”材料極難找，30多年來，全世界的科學家們都對之一籌莫展。雖然銅氧化物一直是物理學家關(guān)注的焦點，但其結(jié)構(gòu)往往難以調(diào)整，因此，超導很難實現(xiàn)。

后來，曹原師徒就產(chǎn)生了一個非常大膽的想法：用石墨烯代替銅氧化物實現(xiàn)超導！“石墨烯是當前最薄、最堅硬的納米材料，簡單來說，它是從石墨中剝離出來的由一層碳原子構(gòu)成的二維晶體，其神奇讓人難以想象。”

曹原解釋說，它不僅結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，而且導電性能更強大。石墨烯的電子運行速度能達到1000千米/秒，遠遠超過電子在一般導體中的運動速度。因此，有望利用石墨烯來制造下一代超高頻電子器件，使未來計算機處理器的運行速度可以比現(xiàn)在高幾十倍，甚至上百倍。這項特性，也決定了石墨烯跟電池是“天生絕配”，在電能儲存領(lǐng)域，石墨烯是耀眼的“明星”。

2016年的一場交易博覽會上，一款石墨烯充電寶吸引不少人的眼球，只需10分鐘就可充滿6000mAh的電量。“我們可以大膽設(shè)想，未來有一天，電動汽車廣泛使用石墨烯電池，只需幾分鐘就能把電充滿，比去加油站加油還方便！”曹原說。

石墨烯還是自然界中最為堅硬的物質(zhì)，其硬度超過金剛石?！八臄嗔褟姸缺茸詈玫匿摬倪€要高200倍。假如我們?nèi)粘Ｊ褂玫乃芰洗鞘┎馁|(zhì)，那么它就能承受大約兩噸重的物品。這么堅硬的物質(zhì)，卻是超薄超輕、近乎透明的。它的透光率高達97.7%。厚度只有大約0.3納米，相當于一張A4紙厚度的十萬分之一。一塊厚1毫米的石墨，就能包含大約300萬層石墨烯。如果你用鉛筆在紙上輕輕劃一下，在紙上留下的痕跡就包含了許多層石墨烯。而且，這么薄的材料，致密性卻很高，最小的氣體原子也無法穿透?！?/p>

曹原說，石墨烯還是導熱界的“老大”，它的導熱效能是銀的10倍。優(yōu)異的導熱性可以滿足LED照明、計算機、衛(wèi)星電路、手持終端等大功率高集成系統(tǒng)的散熱需求。

因為石墨烯有各種奇特的性質(zhì)，比如高電導率、透光率、機械強度、穩(wěn)定性等等，都已不同程度地得到了應(yīng)用。使其成為當前科技界的爆款“網(wǎng)紅”，但令科學家們頭疼的是，唯獨其“超導性”成了世界級難題，遲遲無法攻破。

令人驚訝的是，經(jīng)過一年多的潛心研究，曹原團隊發(fā)現(xiàn)了一個“天大的秘密”：通過將兩層自然狀態(tài)下的二維石墨烯材料相堆疊，并控制兩層間的扭曲角度，即可構(gòu)建成為性能出色的零電阻超導體。這一研究中最為關(guān)鍵之處，在于雙層石墨烯材料的扭曲角度。當扭曲角度達到被稱為“魔角”的1.1度時，石墨烯層中的電子能帶結(jié)構(gòu)不再對稱，超導性質(zhì)也隨之顯現(xiàn)?？梢哉f，這是一個石破天驚的發(fā)現(xiàn)！

室溫超導體無疑給未來發(fā)展帶來了新的憧憬。其不僅可應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)施、電網(wǎng)設(shè)備、電子產(chǎn)品等生活設(shè)施中，更在超級計算機、超級高鐵等前沿科技中大展身手。毫不夸張地說，這項研究打開了非常規(guī)超導體研究的大門，或?qū)⒁l(fā)一場超導材料領(lǐng)域的新革命……

引爆全球， 破解困擾物理界107年的世界難題

2018年3月5日，國際頂尖期刊《自然》以背靠背的長文形式，在網(wǎng)站刊登了兩篇麻省理工學院埃雷羅教授課題組石墨烯超導的重大發(fā)現(xiàn)。此外，網(wǎng)站還專門配上了賓夕法尼亞大學尤金教授對這一重大突破的評述。

令人震驚的是，這兩篇重磅論文的第一作者都是21歲的大三博士生曹原。他也有幸成為在《自然》上以第一作者身份發(fā)表論文的最年輕中國學者。而能夠在三大期刊上發(fā)文，是無數(shù)科學家孜孜以求的目標，也是評選諾貝爾獎、競選院士，展示大學和科研機構(gòu)研究實力的重要依據(jù)。

不過，單是《自然》高達90%的斃稿率，就足以讓人望而生畏。從全球范圍內(nèi)來看，有能力在三大期刊發(fā)表文章的，要么是世界頂級實驗室，要么是世界頂級團隊，要么兩者兼具。曹原知道，這些頂級隊伍的專家教授，一邊爭分奪秒地做實驗，一邊密切盯著競爭對手的動向，打開電腦的第一件事，就是看三大期刊發(fā)表了哪些相關(guān)領(lǐng)域的論文，如果沒有新的，就可以松口氣，如果別人發(fā)表出來的相關(guān)成果和自己的研究差不多就前功盡棄了！曾在《科學》發(fā)表論文，后被普林斯頓大學聘為終身教授的中國科學家顏寧曾說“向死而生”，描述的就是這種狀況。

而作為我國結(jié)構(gòu)生物學領(lǐng)軍人物的施一公，第一次在國際性科技期刊《自然》上發(fā)表論文是在1999年，當時他32歲；被稱為我國“量子之父”的潘建偉院士，27歲在《自然》上發(fā)表了第一篇論文；曹原21歲就作為第一作者一次性發(fā)表兩篇論文，堪稱“神之操作”。另外，《自然》未等排版就先行在網(wǎng)站上刊出，并配以第三篇文章做評述，可見其重視程度之深。

曹原關(guān)于石墨烯超導電性的研究成果發(fā)表后，震驚了整個世界物理學界，斯坦福大學物理學家、諾貝爾獎獲得者羅伯特·拉夫林說：“其研究成果很可能成為改變?nèi)澜绲囊粋€重大課題。我們可以期待在接下來的幾個月里，會有瘋狂的實驗活動來填補藍圖中缺失的部分?！?/p>

令人震撼的是，此時距離發(fā)現(xiàn)超導體，已時隔107年，而曹原團隊的發(fā)現(xiàn)，無疑將引發(fā)全球新材料革命。很快，臉上帶著稚氣曹原，擁有了百萬“粉絲”，被網(wǎng)友譽為“科學大神”。之后，無數(shù)大學和科研機構(gòu)向他拋出橄欖枝，甚至有大學愿意為他提供一份教授的職位。曹原表示雖然不知道自己未來的科研生涯會走向何方，但他很明確的兩點是：第一，他會繼續(xù)此前的研究，創(chuàng)造更多的奇跡；第二，他會回到中國。