王玉琴

2018年3月5日，一個(gè)重磅消息瞬間引爆學(xué)術(shù)圈，讓全世界學(xué)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(xué)生曹原寫的“石墨烯超導(dǎo)”論文。令人震驚的是，這個(gè)滿臉稚氣的21歲博士生，破解了困擾物理學(xué)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(jì)算機(jī)、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(yù)為“科學(xué)大神”。

英雄出少年，中國科技大學(xué)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(shí)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(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院，并入選“嚴(yán)濟(jì)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(rèn)真地請教問題。有趣的是，中科大教計(jì)算物理課的丁澤軍教授，因教學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、苛刻，讓許多學(xué)生“聞風(fēng)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(huì)想辦法做出來。如果計(jì)算遇到困難，他會(huì)主動(dòng)嘗試其他的軟件方法。丁教授每年上計(jì)算機(jī)物理課緒論時(shí)，都會(huì)提到曹原。

與常見的只顧埋頭讀書、做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生不同，曹原不僅性格活潑開朗，而且愛好廣泛，他喜歡文學(xué)、運(yùn)動(dòng)、計(jì)算機(jī)，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(xué)習(xí)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(shí)面打下了很好的基礎(chǔ)。曹原認(rèn)為自己的動(dòng)手能力是得益于放學(xué)后經(jīng)常在家研究電子電路和化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

曹原對化學(xué)和物理非常感興趣，高中學(xué)業(yè)十分繁忙，他放學(xué)到家已經(jīng)很晚了，但依舊要花1個(gè)多小時(shí)的時(shí)間研究各種化學(xué)試劑。做化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jìn)去，人工合成硝酸銀。他還曾在深圳花了整個(gè)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(shí)他還做過一個(gè)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(shí)驗(yàn)都很折騰人，又有一定的風(fēng)險(xiǎn)，但父母一直都很支持兒子，這點(diǎn)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(xué)學(xué)習(xí)；次年6月，又被牛津大學(xué)選中，受邀做兩個(gè)月的科研實(shí)踐。2014年，18歲的曹原榮獲中科大本科生最高榮譽(yù)獎(jiǎng)——郭沫若獎(jiǎng)學(xué)金。

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

石破天驚，讓石墨烯實(shí)現(xiàn)“超導(dǎo)”

2016年從中科大畢業(yè)后，曹原在牛津大學(xué)實(shí)踐時(shí)的導(dǎo)師陳宇林教授，推薦他前往美國麻省理工學(xué)院MIT電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系，攻讀博士學(xué)位，師從著名物理學(xué)家巴勃羅·哈里羅·埃雷羅。

期間，在教授指導(dǎo)下，曹原開始重點(diǎn)研究關(guān)于石墨烯材料“超導(dǎo)電性”的尖端課題。曹原知道，1911年，荷蘭物理學(xué)家?？说热税l(fā)現(xiàn)當(dāng)汞被冷卻至接近-273℃時(shí)，電子可以通行無“阻”。他們將這個(gè)“零電阻狀態(tài)”稱為“超導(dǎo)電性”。曹原說，具有超導(dǎo)電性的材料有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)?，一般材料在?dǎo)電過程中會(huì)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(jì)效益越大。超導(dǎo)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(dǎo)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。“如果材料能在室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，就能避開昂貴的冷卻費(fèi)，徹底改變能量傳輸、醫(yī)療掃描儀和運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)領(lǐng)域的現(xiàn)狀?！钡@種合適的“低成本超導(dǎo)材料”材料極難找，30多年來，全世界的科學(xué)家們都對之一籌莫展。雖然銅氧化物一直是物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)往往難以調(diào)整，因此，超導(dǎo)很難實(shí)現(xiàn)。

后來，曹原師徒就產(chǎn)生了一個(gè)非常大膽的想法：用石墨烯代替銅氧化物實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)！“石墨烯是當(dāng)前最薄、最堅(jiān)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?！?/p>

曹原解釋說，它不僅結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，而且導(dǎo)電性能更強(qiáng)大。石墨烯的電子運(yùn)行速度能達(dá)到1000千米/秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度可以比現(xiàn)在高幾十倍，甚至上百倍。這項(xiàng)特性，也決定了石墨烯跟電池是“天生絕配”，在電能儲(chǔ)存領(lǐng)域，石墨烯是耀眼的“明星”。

2016年的一場交易博覽會(huì)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?！拔覀兛梢源竽懺O(shè)想，未來有一天，電動(dòng)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(jiān)硬的物質(zhì)，其硬度超過金剛石?！八臄嗔褟?qiáng)度比最好的鋼材還要高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(jiān)硬的物質(zhì)，卻是超薄超輕、近乎透明的。它的透光率高達(dá)97.7%。厚度只有大約0.3納米，相當(dāng)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(dǎo)熱界的“老大”，它的導(dǎo)熱效能是銀的10倍。優(yōu)異的導(dǎo)熱性可以滿足LED照明、計(jì)算機(jī)、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?yàn)槭┯懈鞣N奇特的性質(zhì)，比如高電導(dǎo)率、透光率、機(jī)械強(qiáng)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(dāng)前科技界的爆款“網(wǎng)紅”，但令科學(xué)家們頭疼的是，唯獨(dú)其“超導(dǎo)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“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(dǎo)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(dāng)扭曲角度達(dá)到被稱為“魔角”的1.1度時(shí)，石墨烯層中的電子能帶結(jié)構(gòu)不再對稱，超導(dǎo)性質(zhì)也隨之顯現(xiàn)?？梢哉f，這是一個(gè)石破天驚的發(fā)現(xiàn)！

室溫超導(dǎo)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(jì)算機(jī)、超級高鐵等前沿科技中大展身手。毫不夸張地說，這項(xiàng)研究打開了非常規(guī)超導(dǎo)體研究的大門，或?qū)⒁l(fā)一場超導(dǎo)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(xué)院埃雷羅教授課題組石墨烯超導(dǎo)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(xué)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(xué)者。而能夠在三大期刊上發(fā)文，是無數(shù)科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)，也是評選諾貝爾獎(jiǎng)、競選院士，展示大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)研究實(shí)力的重要依據(jù)。

不過，單是《自然》高達(dá)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(shí)驗(yàn)室，要么是世界頂級團(tuán)隊(duì)，要么兩者兼具。曹原知道，這些頂級隊(duì)伍的專家教授，一邊爭分奪秒地做實(shí)驗(yàn)，一邊密切盯著競爭對手的動(dòng)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(xué)》發(fā)表論文，后被普林斯頓大學(xué)聘為終身教授的中國科學(xué)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(xué)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(dāng)時(shí)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(dǎo)電性的研究成果發(fā)表后，震驚了整個(gè)世界物理學(xué)界，斯坦福大學(xué)物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)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€(gè)重大課題。我們可以期待在接下來的幾個(gè)月里，會(huì)有瘋狂的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)來填補(bǔ)藍(lán)圖中缺失的部分?！?/p>

令人震撼的是，此時(shí)距離發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體，已時(shí)隔107年，而曹原團(tuán)隊(duì)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(yù)為“科學(xué)大神”。之后，無數(shù)大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)向他拋出橄欖枝，甚至有大學(xué)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(huì)走向何方，但他很明確的兩點(diǎn)是：第一，他會(huì)繼續(xù)此前的研究，創(chuàng)造更多的奇跡；第二，他會(huì)回到中國。