【长期主义】第267期科学说：神奇石墨烯｜2023年腾讯科学WE大会嘉宾演讲纪要

2023年10月28日，2023腾讯科学WE大会特邀中国科学院院士、中国高温超导研究奠基人之一赵忠贤，中国科学院院士、基因诺亚方舟掌舵者钱前，双料诺贝尔奖得主、石墨烯之父安德烈·海姆，诺贝尔物理学奖得主、起源联盟负责人迪迪埃·奎洛茲，沃尔夫化学奖得主、网状化学之父奥马尔·亚基，国际知名抗衰老遗传学家、三院院士琳达·帕特里奇，中山大学深圳生物医学工程学院教授蒋乐伦，带来全球基础科学前沿突破。

本期“长期主义”，选择2023年腾讯科学WE大会，诺贝尔物理学奖得主、起源联盟负责人迪迪埃·奎洛茲，双料诺贝尔奖得主、石墨烯之父安德烈·海姆，中山大学深圳生物医学工程学院教授蒋乐伦三位嘉宾演讲纪要与相关背景介绍，腾讯科学WE大会微信公众号发布，六合商业研选精校，分享给大家，Enjoy！

安德烈·海姆：神奇的石墨烯与超薄原子材料
演讲人：双料诺贝尔奖得主、石墨烯之父安德烈·海姆
时间：2023年11月22日
字数：4,088

石墨烯被誉为21世纪最重要材料。安德烈·海姆在WE大会上，为大家讲述他与同事如何通过撕胶带的剥离技术，获得这种单原子厚度的材料，并带领大家一窥神奇特性。安德烈·海姆指出，下一个时代可能是石墨烯等二维材料的时代。

演讲全文：

我们先来做简单的观察。

环顾四周，你看到什么？你们周围一切东西都是三维，都有长宽高。你找不到只有一个分子或一个原子厚的材料。

这不是因为你看不见它们，而是因为这种材料在宇宙中可能就不存在。

原理很简单。用分子或原子创造材料时，只有在一定温度下，分子与原子才会结合。温度会带来振动，这些振动会破坏低维秩序

比如这个视频里，你可看到有一些扁平的碎片状物质，最后所有材料都结合起来合成三维体。

物理定律很强大，它阻止二维材料存在，也不允许宇宙中存在单个分子厚度的物体。

但大自然的定律，并不意味着我们不能造出二维的材料。

回头看，我们创造材料过程，大致是先选取传统的材料。随便举例，比如做饭用的盐。我们知道盐包含原子列与原子面，想象你用一个非常小的镊子，从盐中夹取出一个原子。

这个物质在自然界中存在吗，所有定理定律都不否认这个可能性。这种形态的物质最初始于一个非常高的温度，熔解温度，如果将它放在我们环境中冷却降到室温，这种物质可能存在，也可能不存在。

这实际上就是我们在15~20年前的方法。

我们先取一块石墨，石墨形成温度是3000°C多，将近4000°C，设法从石墨中取出一个原子面。我们没有镊子，不能用镊子操作。

这种情况下，我们直接用胶带来获取。把胶带粘在石墨表面再撕开，你在胶带表面看到的就是石墨片。石墨片是黑色的，因为石墨是金属，所以是不透明的。但是如果你在显微镜下仔细观察，并且从另一面照射出光线，你就会看到小片的透明石墨，透明金属，透明说明此种材料极薄。

这张图展示的这些石墨，可能只有5个原子厚度，那一刻我们开悟了，因为在那之前，我们从不相信类似此种极薄物质的存在。

当时我们只是想获取一片石墨薄膜，但当我们发现石墨膜可薄至几个、甚至一个原子厚度时，大家都十分惊喜。所以实际上，我们完成这个实验不是用镊子，而是用透明胶带来获取原子薄片。

这就是20年前获取石墨烯的样子。它是一片晶体，一个无暇的晶体结构，只有一个原子的厚度，你却可用肉眼看到它。

在你与我之间，有不计其数的原子，它们是透明的。现在，我们看到一个原子、一个晶格就在眼前。当然，你还可用各种我们已有的强大技术来观察它，比如电子显微镜可看到晶体结构，看看它是什么。

这个晶格非常简单。它是六方晶格，有点像养鸡用的铁丝网围栏。它只有单个原子厚度，仅由碳原子组成。如果实验到此为止，也未尝不可，毕竟我们已获取了原子面，很新奇很有趣。但那样的话，我今天就不会站在这里，也不会获得诺奖。诺贝尔奖的颁发理由，是我们对材料性质有深入了解。

这种材料看似结构简单，但我们花了5年时间研究它的性质。最后我们发现，石墨烯有许多超级属性。比如它最薄、强度最大，还能导电，并且导热性优于铜。它的硬度高于钻石，完全不渗透气体与分子等。直到现在，这种材料的超级属性还在增加。

石墨烯教会我们什么

一般说，如果我们将某材料分出一小份，我们理所当然认为一小份材料能再现它的母系材料特性，但这在石墨烯上不成立。

从石墨上提取出的原子面，也就是石墨烯，材料特性完全异于它母系材料。不仅材料特性不同于母系，还在多个方面优于母系。

现在我从两个方面，说明石墨烯特性。一个是基础物理层面，另一个是实际应用层面。获得诺奖，并不是因为我获取石墨烯，而是因为阐明此材料超级特性。

15年前，当我们研究石墨烯特性时，主要研究的是内部电子。相关原理非常复杂，我化繁为简说说，当我们在实验室里研究已有自然存在的材料时，发现这些材料中的电子移动速度远低于光速。

左图演示我们如何描述这种材料。但如果你是天体物理学家，或如果你是粒子物理学家，你会用像中间的图，这种不同的方法描述物理现象，两种方法看起来很不同。

一个是非相对论性，另一个是相对论性，物理学粒子移动速度接近光速。

石墨烯与这些有什么关系？右图展示电子运动与相对论性粒子非常接近，这是一个惊喜，更带来一个启发。

目前地球上最先进的粒子加速器，都无法完成某些实验，一般认为这些实验未来几千年都做不了，因为只有某些地方，比如中子星附近具备条件，但现在可利用石墨烯研究那些物理现象。

这就是我们15年前做的研究。我们开始研究那些物理现象，其中一个是克莱因量子隧道效应（克莱因隧穿），70~80年前粒子物理学就从理论上提出这个现象。

在此我用图来描述一下这个现象。如果你的车撞到一面墙上，不用我说，你也知道有什么后果，我们存在于非相对论性的非量子世界。

但如果你生活在遵循量子物理定律的世界，你的车可进行克莱因隧穿。

你们中有人受过严格科学教育，或许听说过量子隧穿，量子隧穿现象非常重要。比如它能帮助理解手机与电脑中半导体电路的工作原理等，这就是量子世界。

但是在相对论性世界，会出现比奇怪的隧穿更奇怪的现象。这个世界里，你用粒子建造一面墙，我们可把墙建在石墨烯里，或是在现实世界把墙建在中子星附近。根据相对论性世界的物理规则，不论这墙建得多宽多高，车都能穿过墙，对墙的存在毫无察觉，所有物体都能穿过。

这个现象看似奇怪，却能很好地解释一些问题。比如为什么石墨烯具有良好导电性。你会发现，你几乎无法在石墨烯中定位电子，物体可轻易穿越如同无物，这就是为何石墨烯导电性是铜的几千倍。

另一个例子，来自应用科学领域。很久以前的哲学家们，想创造一种点金石，可将任何物质变成黄金，这在现实世界是不可能的，但我们在研究时想到利用电子废物。

现在我们身边有很多电子废物，电子废物中有许多重要原材料，比如金、银、钴、镍等。大家都想从电子设备中提取，并回收原材料，但很难。然而石墨烯，为我们提供了一种可能性。

研究中，我们将图片中这些电子元器件溶于强酸，然后利用一组石墨烯片过滤强酸溶液。

如果直接用石墨过滤是不会起效的，用任何其它材料过滤都没用。

而从视频中可看到，石墨烯上的黄色物质，那就是黄金，只有石墨烯有此魔力。

之后你只需取出石墨烯燃烧，待其气化后，你就会得到纯金。这样简单、直接只提取出纯金，任何其它物质都穿透过去。

这个角度说，它就是古代哲学家们期待已久的魔法石。

这个实验是我与深圳同事共同完成，主要在中国完成。

借此例子，我展示石墨烯在现实层面应用。

石墨烯未来会怎样

经过最近5年对石墨烯大大小小研究，我们又了解它的诸多特性。

但如果仅仅只有石墨烯，就不会像如今这样引起各领域研究的广泛兴趣与关注。

20年前，我们已证实石墨烯有许多兄弟姐妹，它们都只有一个原子或一个分子厚度。

20年间，人们又发现几百种类似石墨烯的材料，这些材料与石墨烯厚度相似，展现出与母系材料完全不同特性。

全球有许多科学家，成百上千家机构都在进行相关研究，试图找到这些材料有趣之处与潜在应用特性。

这是极其热门研究领域，每年发表论文数以千计。

这一类材料有什么实际应用？

10年前，我们研究团队想，这些材料都与石墨烯类似，大概只有一、二或三层原子的厚度，它们肯定还能做点什么。

想象一下利用这些二维材料，设计并制造三维或三维材料，那些并非天然存在的三维材料，你可自己设计任何你想做的原子面的结构组合。

利用不同分子厚度材料，我们设计与创造新材料，就像玩乐高积木那样，这是二维材料家族的众多应用案例之一，已是10年前的事。

那时，我们先从母系材料上获取单个原子面，再将原子面智能重塑成自然界不存在的新材料。

这个领域研究非常有趣。比如很多人在研究一种叫做Van der Waals（荷兰物理学家、诺奖得主）的材料，大概就是在原子尺度下堆乐高积木。

二维材料的未来是怎样

很多人想让我预测石墨烯的未来应用，我诚惶诚恐，我没有水晶球，我不是预言家。但我可为大家拓宽视野，讲一讲目前学术界与产业界对这些材料展望，看看这些二维材料如何让我们的生活变得更好。

人类文明进步，离不开材料发展。从石器时代，到铜器时代，再到铁器时代，每一次跨越都不是偶然，现在我们应是生活在塑料与硅的时代。

正是这些对人类生活至关重要的材料，让文明发展不断迈入新台阶。下一个时代会是什么？我与一部分人看法一致。我们认为下一个时代可能是二维材料时代。

10年前，谈二维材料的现实应用如同白日做梦，当时流行用透明胶带法获取材料，现在很多大学的实验样品依然用胶带获取，这种办法无法实现大规模量产。

过去20年，人们开发不同技术，可在需要时快速生产数吨或平方公里的石墨烯。

关于石墨烯各种可为与不可为的相关论文很多，石墨烯应用潜力无穷，可能会有成千上万种应用。

科研人员也发表了关于石墨烯与其它二维材料的诸多论文。

虽然我无法预测未来，但我可讲现在已有的应用案例。

从学术成果转化为商业应用，石墨烯只用了短短20年，通常这个时间是50~70年。

今天石墨烯用于各类电子设备的降温。电子设备或LED灯，都十分需具降温属性的材料，这是石墨烯非常重要的一项性能。

石墨烯还用于提高电池品质，用于各类涂料，以提高保护力。

还有滑雪板、头盔、地板鞋等，它们都用到石墨烯进行材质改良。

再比如石墨烯用于建楼铺路等。

这些不算是材料革命，更像是一种迭代进化，利用这些材料将已有物品特性或质量改良几个百分点。

但我们更应展望石墨烯革命或二维材料革命。在此，我只谈其中一个梦想。人们都在期待讨论或推动电子产品革命。利用二维材料，不一定是石墨烯，也许可制作柔性可弯折的电子设备。之后你的手表可能是透明的，可弯折手机未来也可能会成为现实。5年也许不够，未来10年内是很有可能实现。

留给在座年轻学生的哲思

如果你用铅笔在纸上画一条线，你会看到什么？一道笔划。这道笔划是石墨的，所以它是黑色的，铅笔笔芯内含有石墨。如果你用显微镜仔细观察这道笔划，就会看见里面石墨烯只有一个原子厚度。

石墨烯一直就在我们面前，在我们眼皮子底下，从我们使用铅笔第一天开始，大摇大摆隐身5百年，直到21世纪，我们才发现它，之前我们还一直以为这类东西是不存在的。

所以还有很多事情，有待我们发现，石墨烯就出现在你最意料不到的地方。

年轻的朋友们听了这个故事后，你们是否也想去寻找新材料？智者千虑，也无法穷尽万物，总会有新发现等待你们去开启。

从三维材料到二维材料，诺奖得主的好奇心开启新时代
来源：腾讯科学WE大会
时间：2023年10月23日
字数：5,266

石墨烯，单层碳原子组成的材料，拥有无与伦比的特性：强度堪比坚硬的钻石，导电性之高让电子在其表面如音符跃动，透明度仿佛纯净而透彻的天空。

这个由碳元素构成的交响曲，为电子、信息、能源、新材料、交通、医疗等多个领域带来全新的旋律。

对人类，石墨烯就像是一个神话中的宝藏，蕴藏无限可能性。

石墨烯的发现者安德烈·海姆，却以意想不到的方式，揭开了这个人类科学史上的宝匣。他与合作者，使用透明胶带贴在石墨薄片上，轻轻撕下，将石墨的层状结构分离开来。用这种简单到极致的操作，他们获得了人类第一个二维材料：石墨烯。

在海姆发现石墨烯后的10多年里，科学家们陆续发现几百种甚至上千种新型二维材料，它们展现出独特而新颖的特性。海姆发现石墨烯的那张普通胶带，成为科学的魔杖，引领人类踏入二维材料时代。

石墨烯的发现与优异特性

2004年之前，石墨烯被认为是一种只存在于理论中，无法在实验室中获得的材料。

石墨烯由碳原子构成的单层碳片，呈蜂窝图案的六边形平面晶格相互连接。尽管碳原子之间通过共价键连接，但人们普遍认为，在室温下，碳原子的强烈热振动将导致单层碳原子无法稳定存在，最终分解成微小的球状结构。也就是说，表面的波动会破坏二维晶体的长程有序性。因此，科学家普遍认为在室温下无法制备单层碳原子，这让制备石墨烯看似遥不可及。

尽管科学界在20世纪40年代已开始理论研究，并分离出多层石墨薄片，但制备单原子厚度碳片的设想，仍被认为是不切实际。

充满好奇心的海姆，并没有被这一观点吓倒。他与合作者提出简单而朴素的问题：如果将碳纳米管展开成单层碳原子厚的材料，会发生什么？

他们决定将这一想法付诸实践，最初尝试使用抛光机将石墨薄片变薄，以失败告终。

尽管初次尝试失败，并没使他们失去热情。受到废弃胶带上石墨残渣启发，他们开始新一轮尝试。

胶带上的石墨碎片

利用透明胶带，将石墨层分离出新鲜、干净的表面，这是扫描隧道显微镜研究中的标准技术。海姆与合作者，敏锐感受到这就是我们需要的东西。他们不断重复粘贴胶带过程，利用胶带粘性破坏石墨层间范德华力。经过数周尝试，终于分离出有史以来第一个二维材料，单层碳层，也就是石墨烯。

当海姆与他合作者提交一篇3页论文，描述他们发现，并试图发表在《自然》杂志上时，论文2次被拒绝。

一位评审认为分离稳定二维材料不可能，另一位评审认为这并不是足够的科学进步。

直到2004年10月，他们论文《原子级薄碳膜中的电场效应》发表在 Science 杂志上，才猛然震惊整个科学界，不少科学家描述看到这篇论文的感觉，就像科幻小说变成现实。

石墨烯拥有卓越导电性，电子可在碳原子表面自由滑行，而不像金属一样从表面反弹。

尽管它是已知宇宙中最薄的材料之一，但强度是同等重量钢的200倍，是迄今为止人类测量到的最强材料。

石墨烯透明度与坚固性，令人惊叹。它几乎完全透明，光线毫不费力穿过，为显示技术与光电领域带来广泛应用前景。尽管只有一个原子厚度，石墨烯比钢铁还要坚固，这使它成为新一代材料科学明星，建筑与航天等领域都可受益。

石墨烯不仅薄如原子，而且不透气，导热性与导电性优于铜，可制成比硅更快的晶体管。

石墨烯一经问世，就成为科学界研究热点，它拥有一系列卓越性能：极薄厚度、最大比表面积、极高强度、极高延展性与柔韧性、极高导热性等，打破一系列材料记录。

石墨烯优异的物理性质，使其在电子、信息、能源、交通、医疗等多个领域有望获得重要应用。

石墨烯还具有独特的电子结构与载流子特性，是检验基础物理理论研究的重要实验材料。

因此，石墨烯被誉为新材料之王。

海姆的石墨烯研究，让他获得2010年诺贝尔物理学奖，这也是对他卓越科研生涯的最高赞誉。

与获奖相比，他更喜欢在未知科学领域探索，不断进行各种实验，根据科幻或个人好奇心找到新颖材料与物质，为自己不断拓展全新的研究疆域，探索未知的自然奥秘才是他真正热爱的事业。

安德烈·海姆身上，我们看到科学与创意的完美结合，好奇心与耐心和谐相处，挑战传统与大胆探索携手前行。

从童年的好奇到科学的坚韧

安德烈·海姆，1958年出生在苏联，父亲是名工程师，对工作与专业充满热情，这早早埋下他对科学与技术浓厚兴趣。或许正是受到父亲职业启发，海姆在童年时期就展现出色数学与物理才能，扎实的理论功底为他未来在多个研究领域跨界研究与开创性突破打下坚实基础。

海姆毕业于莫斯科物理技术研究所PhysTech，并获得学士学位。关于他申请这所学校经历，有一个有趣的小插曲：申请大学时，他担心自己考不上莫斯科物理技术研究所，先申请了另一所知名度较低的大学，莫斯科工程物理学院。

然而，由于他德国裔背景，他在招生中受到不公平待遇，莫斯科工程物理学院没有录取他。相反，他在莫斯科物理技术研究所却感受到愉快的氛围。最终，他被更优秀的大学录取。这也让我们不禁感叹，命运似乎总是青睐有才华之人。

大学毕业后，海姆在莫斯科一家研究机构展开博士研究。他早期职业生涯，主要集中在实验物理学与固态物理学领域。

当时，海姆并没有展现出与众不同迹象，甚至因为科研课题的平庸，而未能取得突出成就。尽管发表几篇科研论文，几乎没有引起同行关注。这一段并不太愉快的科研经历，让他深刻认识到绝对不要让你的学生研究那些已死了很久的课题方向。

尽管研究方向普通，让他错失几年宝贵的科研时光，但他开始接触到固态物理学中一些复杂问题，这为他后来研究打下基础。他的好奇心与坚韧不拔的性格，使他在逆境中逐渐脱颖而出。

奇妙实验：悬浮青蛙

幸运的是，海姆中年时，成为荷兰奈梅亨大学副教授，这让他有机会专注科研，不再为维持生计而四处奔波。他欣然表示：我终于可全身心专注研究。

不久后，奈梅亨大学实验室里一个强大的超导磁铁让他着迷。这个磁铁能创造出20特斯拉磁场，这一磁场的强度，几乎是地球磁场40万倍，甚至远超核磁共振仪的磁场数倍。实际上，核磁共振仪或许是普通人能接触到的磁场最大物体。

面对强大的磁场，好奇心驱使海姆产生大胆想法：如果我们把水放入这个强大的磁场，会发生什么奇妙的事？

这个听起来似乎有些疯狂的想法，并不是海姆头脑一时发热的产物，而是基于多年前他一直以失败告终的磁化水实验的启发。

他想：如果水的磁化效应确实存在，20特斯拉的超强磁场，应会产生比0.1特斯拉的常规永久磁铁更显著的效果。

当他将水倒入实验室中正在产生巨大磁场的设备时，在场所有人都感到震惊，包括那些一辈子与磁场打交道的教授们。因为倒入设备的水并没有流出，而是奇迹般聚集在超导磁铁的中心，形成悬浮的水球。

这一神奇现象背后，实际上是水的抗磁性在发挥作用。

磁学有一个引人入胜的特性：当物体在磁场中移动时，它会产生与移动方向相反的力以抵抗物体运动，这就是所谓的抗磁性。

所有物质都具有一定抗磁性，即它们对磁场磁化具有内在抵抗力。不同物质的抗磁性系数不同，因此产生的斥力也会有很大差异。

水的抗磁性非常微弱，这一点在教科书中早已有成熟结论。

这个实验之所以令人震惊，是因为人们知道水的抗磁性非常微弱，但没想到在足够强磁场作用下，它竟然能抵消水的重力。

海姆并没有满足，他的好奇心犹如脱缰的野马在脑海中奔腾。生物体内大部分物质都是水分，蛋白质等生物分子也具抗磁性。

这引发有趣的问题：如果将生物体置于强磁场中，它们是否也会像水滴一样悬浮？

一只青蛙，被海姆投入到强大磁场中。当青蛙进入磁场时，它身体每个原子都表现得像微小的磁针，受到外部强大磁场的影响，产生反向抗磁力，抵消青蛙身体重力。青蛙仿佛是不受控制飘浮在空中，轻盈悬浮其中，宛如置身于仙境。

这一实验，引发更多令人神往的遐想，如果能通过足够强大磁场与精密设计，让人类在磁场中悬浮，那将创造前所未有的壮丽景象。

正因为这只悬浮青蛙，海姆一举成名，2000年获得搞笑诺贝尔物理学奖。这一实验还为超导材料的应用，提供新思路。从磁悬浮技术，到医疗成像设备，这一发现对多个领域产生深远影响。

壁虎手套：创新与粘附力的魔力

作为被强烈好奇心驱动的科学家，海姆探索之路绝不止步于此。他另一个研究项目，同样令人叹为观止。这次，他的兴趣被壁虎在光滑墙壁上出色爬行能力所激发。

壁虎惊人攀爬能力，源于它独特的脚掌。它的脚掌上，覆盖微小而密集的刚毛，刚毛上又分化成无数微绒毛，每一根都在纳米级尺度上具有令人惊奇的细致结构。

这些微小的绒毛，增大壁虎脚掌表面积，特别是在攀爬粗糙物体时，它们能填充微小的凹坑。

更为惊人的是，壁虎不是通过宏观条件下吸附力附在墙上，而是借助这些微小绒毛上的范德华力，与墙上分子产生相互吸引的力量。

范德华力是一种发生在分子与分子间的微弱吸引力，通常我们日常生活中被忽略。

然而，在壁虎脚掌上，数以亿计的微小绒毛，共同产生强大吸附力，让壁虎能攀爬各种表面，甚至是在天花板上倒挂。

为感受范德华力力量，可试着将手机膜从手机屏上拿掉。由于膜与手机屏表面都极其光滑，因此它们之间的吸附力是手机屏与手机膜分子之间的范德华力。这种力量如此之强，以至手机膜紧紧固定在手机屏上不会脱落。

受壁虎脚掌启发，海姆与同事一起设计一种拥有强大粘附力的材料，被戏称为壁虎手套。这种材料基于碳纳米管结构，模仿壁虎脚掌上数以亿计的密集绒毛，展现出卓越的粘附性能。

最终，他们为一个真人大小的玩偶穿上蜘蛛侠服装，利用壁虎手套让它悬挂在实验室天花板上，这一场景既滑稽又令人印象深刻。

在海姆启发下，科学家们成功发明壁虎面板，并用其攀爬了数十米高的高墙，仿佛现实版蜘蛛侠。这壮观的场面，令整个世界都为之震撼，同时也展现海姆独具的科学眼光与创新精神。

壁虎手套的理念，不仅有趣，还具有实际应用潜力。这种强力粘附材料，可用于太空探索、建筑施工、医疗设备等各领域，为创新开辟崭新可能性。

正如海姆所展示的，科学与幽默可巧妙融合，创新往往源自对问题大胆思考。

新时代基石：二维材料的无限潜力

人类文明历程，自4千年前扬帆启航，从石器时代渐进至青铜、再至铁器时代。每个历史时期，都留下特定材料，作为当时文明象征。我们现今所生活时代，被硅与塑料所主导，它们成为当代文明代表。然而，下一个时代将会是怎样？哪些材料将崭露头角，协助我们改善生活，推动当前文明朝着更美好的方向前进？

这个问题上，安德烈·海姆毫不犹豫给出自己预测：二维材料。

我们所生活世界中，万物都有一定厚度，即三维实体，这是自然法则的根基。几乎不可能找到只有一个原子厚度的物质，因此我们一直认为所有事物都属于三维领域。

二维材料的兴起，颠覆这一传统认知。二维材料，如石墨烯，表现出与三维对应物质完全不同的性能，为材料从三维向二维转变带来新机遇。

二维材料是广泛范畴的材料，它们在一个维度上减小到极限的单原子层厚度，而在其他两个维度，尺寸相对较大。正因单原子层厚度，带来的量子局限效应，这些二维材料展示出截然不同于三维材料的性质，从而引起科学界与工业界广泛兴趣。

除了石墨烯，还有其他二维材料，包括单元素材料，如硅烯、锗烯、黑磷；过渡金属硫族化合物，如MoS2、NbSe2；以及主族金属硫族化合物，如GaS、InSe等多种材料。

这些二维材料，不仅具有不同的能带结构与电学性质，覆盖从超导体、金属、半金属、半导体，到绝缘体等材料类型。同时，它们展现出优异的光学、力学、热学、磁学等性质。

举个例子，二维纳米氮化硼与钻石这两种材料，都具有非常宽的带隙。虽然带隙太大，不适宜用于电流开关，但它们可用作出色的绝缘体。研究人员将这些材料与石墨烯结合，已在制备超薄电路方面取得一些突破。

另一有趣的二维材料是硅烯，它在某些方面类似石墨烯，如具有无质量的狄拉克费米子。

硅烯还具备更多突出特征，包括更低的对称性组、更强的自旋-轨道耦合，这使其可能比石墨烯更适用与硅电子器件集成。

研究二维材料，还有望成为揭示传统三维材料中一些神奇物理现象的关键。

例如，当前基于铜氧化物的高温超导体都具有层状结构，但对其非传统超导机制的理解仍是科学界的谜。

为揭示超导之谜，中国科学家进行关于高温超导材料Bi2Sr2CaCu2O8+x（Bi-2212）的研究。他们发现，即使将其剥离至二维极限，它仍表现出高温超导现象，包括高转变温度与多个独特的高温超导特性几乎与块材一致。这表明，对Bi-2212这种高温超导材料说，超导完全是二维现象，为我们理解高温超导提供宝贵线索。

叠加不同种类的二维材料，也可构建功能更强大的材料系统，这些材料有望应用于高性能电子器件、光电子器件、自旋电子器件、能源转换与存储等多个领域。从结构的角度看，科学家能创造出自然界中尚不存在的材料。

物理学研究中，唯一能束缚人们的是自身想象力。随着二维材料家族不断扩展，越来越多新型二维材料被发现，并展现出独特性能，为广泛研究与应用提供基础，有望引领材料创新的产业革命。

安德烈·海姆具有大胆的研究风格，创造了完美的二维晶体，探索了无质量费米子的特性，展示出卓越性能与广阔应用前景。

石墨烯的发现，不仅改变人们思维方式，也为物理学注入新生机与活力，同时带来许多领域技术突破。

石墨烯与二维材料的独特性及应用领域远不止这些，明天还会有哪些新现象被发现，谁能预知？对此，安德烈·海姆充满希望说：我希望石墨烯会像塑料一样，改变我们生活。