“我們的世界離得開(kāi)銅或金嗎？絕不可能。石墨烯亦是如此。”
這是諾獎(jiǎng)得主安德烈·海姆（Sir Andre Geim）在英國(guó)駐華大使館的咖啡廳接受《科學(xué)新聞》專(zhuān)訪時(shí)的感慨。2010年，他與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的同事康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）因“在二維材料石墨烯方面所做的開(kāi)創(chuàng)性工作”而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
海姆雖被冠以“石墨烯之父”的美稱(chēng)，卻在采訪中半開(kāi)玩笑地表示，已經(jīng)開(kāi)始有些厭倦了自己的“孩子”：“我在一個(gè)研究項(xiàng)目中從不待超過(guò)5年，就會(huì)試著轉(zhuǎn)向另一個(gè)研究。現(xiàn)在我已經(jīng)開(kāi)始恨石墨烯了，因?yàn)槲乙呀?jīng)和石墨烯打了12年交道。”
但正如每一位“刀子嘴豆腐心”的父母，話還沒(méi)說(shuō)完，他卻又開(kāi)始惦念起石墨烯的好：“在我的研究中，石墨烯是性能如此出色的一種材料，因此它可以作為一種很好的工具，幫助我尋找新的研究領(lǐng)域。”
目前，海姆正在尋找水作為二維材料在納米尺度下的性能，而這只能依靠石墨烯和其它二維材料才有可能做到。在他心中，石墨烯已經(jīng)成為他實(shí)驗(yàn)室“工具箱”中不可或缺的一部分。
不過(guò)，很多人知道海姆并不是因?yàn)樗?ldquo;石墨烯之父”，而是因?yàn)榱硪粋�(gè)令人驚奇和充滿遐思的實(shí)驗(yàn)——懸浮青蛙。2000年，他因?yàn)檫@項(xiàng)奇思妙想而為自己贏得了“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”，并走進(jìn)了許多物理教科書(shū)。這也讓他成為世界上唯一一個(gè)“雙料”諾獎(jiǎng)得主。
走近海姆的世界，或許并不是出于記者的采訪任務(wù)，而是著迷于他有趣而又傳奇的一生。
變廢為寶
幾年前，海姆與一大群英國(guó)人到約旦的沙漠徒步旅行。傍晚扎營(yíng)時(shí)，他們?cè)隗艋鹎巴嫫鹆擞?guó)流行的“吹牛”游戲。玩游戲的人會(huì)講一堆大話，其中只有一句是真的，其他人需要猜出哪句是真。
海姆跟同伴開(kāi)起了玩笑。游戲到他時(shí)，他說(shuō)：“我生于地中海氣候”“我在紅軍當(dāng)過(guò)副隊(duì)長(zhǎng)”“我得過(guò)‘搞笑諾貝爾獎(jiǎng)’”“我爬過(guò)幾座5000多米的高山”“我曾在沒(méi)有繩子的情況下掉入100米深的冰縫”“我在32歲第一次被稱(chēng)作‘俄羅斯人’”“在大學(xué)我學(xué)過(guò)洲際彈道導(dǎo)彈”“我在北極圈北部當(dāng)過(guò)磚瓦匠”“我本人認(rèn)識(shí)戈?duì)柊蛦谭?rdquo;等等。
讓他驚訝的是，除了最后一條，其他都被同伴認(rèn)為是“吹牛”。這讓海姆每局必勝，因?yàn)槌俗詈笠粭l，其他都是海姆的親身經(jīng)歷。海姆第一次開(kāi)始思考，他的人生可能并不如自己認(rèn)為的那么微不足道。
海姆生于全球著名的黑海海濱度假城市——索契，之后，他以?xún)?yōu)異的成績(jī)考上了莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（Phystech）。讀博期間，他的親身經(jīng)歷讓自己意識(shí)到，在以后的學(xué)術(shù)生涯中絕不要去做已經(jīng)沒(méi)落了的研究方向。
導(dǎo)師Victor Petrashov從固體物理研究所到了新建的微電子學(xué)技術(shù)研究所，這導(dǎo)致海姆的博士生期間一直有些“顛沛流離”。雖然兩個(gè)研究機(jī)構(gòu)之間僅有200米的距離，但是卻極大地?cái)_亂了海姆的研究工作——他丟掉了不少設(shè)備，然后又要重新架設(shè)所有的設(shè)施。最初，他還抱著熱情進(jìn)行金屬物理學(xué)的研究，但隨后，他越來(lái)越清醒地意識(shí)到除了自己的導(dǎo)師之外，沒(méi)有人在乎他的研究。
他用時(shí)5年完成了博士論文，論文的題目冗長(zhǎng)而無(wú)趣�？茖W(xué)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)（Web of Science）的數(shù)據(jù)殘酷地顯示出，他的論文只有2次引用量，還都是源于共同的作者。
這時(shí)，他才清醒地反思道，這個(gè)研究主題早在他開(kāi)始讀博的十年前就已經(jīng)沒(méi)落了。因此，他告誡自己以后絕不應(yīng)該用這些“僵尸”項(xiàng)目去折磨自己的研究生。
博士畢業(yè)后，海姆開(kāi)始在微電子學(xué)技術(shù)研究所擔(dān)任科研人員。當(dāng)時(shí)，前蘇聯(lián)的研究體系鼓勵(lì)年輕科學(xué)家選擇自己的研究方向。經(jīng)過(guò)1年的摸索，他在研究上脫離了與前導(dǎo)師的關(guān)系，開(kāi)始自己尋找有潛力的新研究方向。雖然當(dāng)時(shí)的研究條件非常艱苦，但他卻在極小不均勻磁場(chǎng)（在亞微米范圍內(nèi)變化）的電子運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域開(kāi)辟了自己的天地。
這段經(jīng)歷讓海姆意識(shí)到：在眾人都在爭(zhēng)搶的領(lǐng)域找到新現(xiàn)象，要比引入一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)體系難得多。在開(kāi)辟一個(gè)新的領(lǐng)域時(shí)，成功的幾率要大得多。當(dāng)然，可能你對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域很多美好的期許不會(huì)實(shí)現(xiàn)，但是在研究任何一個(gè)新的體系時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)你意想不到的新發(fā)現(xiàn)。
1990年，在英國(guó)諾丁漢大學(xué)短期訪學(xué)期間，由于條件所限，海姆只能利用實(shí)驗(yàn)室里已有的設(shè)備。他在實(shí)驗(yàn)室角落里找到了多年前實(shí)驗(yàn)人員留下的落滿了灰塵的砷化鎵微米線。
在條件非常艱苦的前蘇聯(lián)科學(xué)院的工作經(jīng)歷，讓他得以在相對(duì)不利的實(shí)驗(yàn)條件下“變廢為寶”。實(shí)驗(yàn)室人員眼中的廢品成了他的金礦，他開(kāi)始每周工作100個(gè)小時(shí)進(jìn)行研究，并因此在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了2篇文章。
“我常常用這段經(jīng)歷來(lái)調(diào)侃我的年輕同事們。當(dāng)事情并不按預(yù)期發(fā)展，人們開(kāi)始抱怨時(shí)，我會(huì)刺激他們說(shuō)，‘根本沒(méi)有不好的樣品，只有差學(xué)生／博士后’。仔細(xì)探尋，你總會(huì)發(fā)現(xiàn)新的東西。”海姆在諾貝爾獎(jiǎng)演講中說(shuō)，“當(dāng)然，最好要避免這樣的經(jīng)歷。即便你夠幸運(yùn)，能夠找到像石墨烯這種令人激動(dòng)的新實(shí)驗(yàn)體系，嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致和恒心毅力會(huì)讓你走得更遠(yuǎn)。”
“周五晚實(shí)驗(yàn)”
在諾丁漢期間的高強(qiáng)度研究啟發(fā)了海姆的靈感，因此他決定不再回到俄羅斯，開(kāi)始在諾丁漢、哥本哈根、巴斯等地之間拓寬新的研究視野。1994年，他獲得了荷蘭奈梅亨大學(xué)的副教授職位。
在奈梅亨的高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室，海姆在介觀超導(dǎo)方面的研究需要非常微弱的磁場(chǎng)（小于0.01T），但如何利用實(shí)驗(yàn)室里閑置的、磁場(chǎng)強(qiáng)大又費(fèi)電的電磁鐵來(lái)滿足需求，著實(shí)讓海姆費(fèi)了一番腦筋。
電磁鐵唯一的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)就是能在室溫下工作。一天，海姆偶然注意到神秘的“磁化水”現(xiàn)象——把磁鐵放在熱水管里可以防止水垢形成。他開(kāi)始思考這背后的原理：如果磁化水真的存在，那么其在20T的強(qiáng)磁場(chǎng)里所產(chǎn)生的效應(yīng)應(yīng)遠(yuǎn)大于0.1T普通磁鐵產(chǎn)生的效應(yīng)。
于是，在某個(gè)周五的晚上，海姆做了一件“不專(zhuān)業(yè)”、甚至在有些人看來(lái)“不靠譜”的事情：他把水倒進(jìn)了運(yùn)行到最大功率的電磁鐵中。
“往設(shè)備里潑水的確不是標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)方法，我也不記得自己為什么做出如此‘不專(zhuān)業(yè)’的行為。顯然，之前并沒(méi)有人做過(guò)這種傻事。”
但令海姆驚訝的是，倒進(jìn)去的水并沒(méi)有落在地板上，而是滯留在磁鐵的中心。他和來(lái)自諾丁漢的訪問(wèn)學(xué)生Humberto Carmona把玩了個(gè)把小時(shí)，用木棍攪動(dòng)以改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，最終，一個(gè)神奇的水球懸浮在了半空中。
他們很快意識(shí)到這個(gè)神奇現(xiàn)象的背后是抗磁性的物理學(xué)原理，但他花了很久才開(kāi)始相信，水微弱的磁反應(yīng)居然能夠抵消地心引力。很多同事，包括和高磁場(chǎng)打了一輩子交道的研究人員都目瞪口呆，有些人甚至表示這是一場(chǎng)惡作劇。
海姆嘗試過(guò)懸浮很多物體，其中一只懸浮的青蛙讓這個(gè)美麗的現(xiàn)象走進(jìn)了媒體與公眾的視線，甚至進(jìn)入了很多學(xué)校的教科書(shū)。有時(shí)候海姆參加學(xué)術(shù)會(huì)議時(shí)，會(huì)有人叫住他：“我認(rèn)識(shí)你！不是因?yàn)槭且驗(yàn)槲以谡n堂上展示過(guò)你的青蛙，學(xué)生們總是想知道它為什么會(huì)飛。”
也是這個(gè)實(shí)驗(yàn)，為他和Michael Berry贏得了2000年的“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”。“起初我們被問(wèn)到是否有膽量來(lái)接受這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，我為我們的幽默感和自嘲而感到驕傲。”海姆說(shuō)。
磁懸浮的實(shí)驗(yàn)讓海姆玩上了癮，這告訴他，有時(shí)候嘗試和自己專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域相差很遠(yuǎn)的方向可能會(huì)產(chǎn)生有趣的結(jié)果。這也影響了他的研究風(fēng)格。從那以后，海姆開(kāi)始了“周五晚實(shí)驗(yàn)”的冒險(xiǎn)之旅，花費(fèi)數(shù)月進(jìn)行橫向思考，沒(méi)有明確目的地查閱不相關(guān)的文獻(xiàn)，嘗試的結(jié)果也往往會(huì)失敗。
他在奈梅亨也用這種橫向思維方式設(shè)計(jì)本科和研究生課題，學(xué)生們總是很興奮地像無(wú)頭蒼蠅一樣四處探索。為了不影響學(xué)生的論文或職業(yè)發(fā)展，這些探索從不會(huì)超過(guò)幾個(gè)月。盡管隨著每次失敗，熱情會(huì)消散，但不少學(xué)生后來(lái)吐露，這些探索式的彎路是他們?nèi)松蟹浅氋F的經(jīng)驗(yàn)。
15年間，海姆和同事、學(xué)生們一共做了20幾個(gè)“周五晚實(shí)驗(yàn)”，絕大多數(shù)都凄慘收?qǐng)�。但也�?個(gè)成功的案例：磁懸浮、壁虎膠帶（模擬壁虎腳趾上具有強(qiáng)大吸附力的微細(xì)絨毛設(shè)計(jì)出的人造材料，具有明顯的粘附力和自我清潔功能），以及石墨烯。這意味著這些看似“不靠譜”的奇思妙想成功率竟超過(guò)了10%，甚至還有幾次實(shí)驗(yàn)與成功擦肩而過(guò)。
“老實(shí)說(shuō)，我并不認(rèn)為這種成功率是因?yàn)槲姨貏e擅長(zhǎng)于橫向思考。更大的可能性是這告訴我們，探索新的研究方向，即便是漫無(wú)目的的探索，也會(huì)有更多的回報(bào)。我們可能在現(xiàn)有領(lǐng)域挖掘得太深了，讓很多未經(jīng)探索的東西淺藏在表面，只要稍加探索就能找到。當(dāng)一個(gè)人有膽量去嘗試時(shí)，雖然并不一定有回報(bào)，但至少這是一次冒險(xiǎn)。”海姆表示。■