发现石墨烯超导效应的少年天才,来自中国的曹原有多牛

x
用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈

  我们自古以来就有对年纪轻轻就取得非凡成就的人赞不绝口,用词也毫不吝啬,比如:年少有为,自古英雄出少年等等,这些词放到形容曹原身上也毫不为过。2018年,世界顶级学术期刊,英国《Nature》杂志发布了年度影响世界的十大科学家,来自中国的22岁不到的曹原榜上有名,并位于第一名。

  

  2018年 自然杂志 十大人物封面

  曹原1996年出生于四川成都,3岁随着父母迁居深圳,小时候小曹原不仅仅智力超于同年龄段的孩子,而且活泼好问,动手能力强,父母也非常了解自己儿子,十分注意保护儿子的天性。

  因为从小智商超群,小曹原就是当地的小明星,也因此被深圳耀华实验中学超常班所选中。深圳耀华实验中学本身是一个非常有名的学校,而能够进入这个超常班的全校只有3个人,当然学校也非常重视,配备了6名老师照顾3个孩子的生活与学业,并且由曾在中科大任教20年的朱源担任班主任。

  

  少年天才 曹原

  在中学校园里经常流传着这么一个故事,曹原非常喜爱物理和化学实验。有一次做化学实验,可是化学实验所需的硝酸银很贵,也很难买到,于是他就买来了硝酸,把妈妈的银镯子放了进去,人工“合成”了硝酸银。

  超常教育的学生自然走着不同于普通学生的路,曹原用3年的时间学习完了小学,初中、高中的课程。2010年,曹原被国内一所以超常教育著称的大学中国科技大学少年班录取。科大少年班创立之初是中国最有名的特殊教育试验田,但是经过这么多年的发展,已取得了不俗的成绩。虽然偶有讨论其教育方式是不是揠苗助长,但是这么多年培养了多位科学界,商界,政界的著名人士已经证明少年班的创立是正确的。而曹原在少年班中也要比平均年龄小两岁左右。

  

  14岁 曹原进入中国科学技术大学

  在科大的四年本科学习中,曹原学习认真刻苦,延续着一代代科大人的荣耀,并获得了科大本科生的最高荣誉郭沫若科学奖。中科大毕业后,曹原来到了美国麻省理工学院攻读博士学位,在麻省理工学院期间,由于科研成果突出,因此获得了获得美国国籍的资格,这可能是美国对外籍人士最高的褒奖。但是,曹原并没有接受,反而为积极地回国宣传推广科学事业,为祖国的科学贡献自己的一份力量。

  

  18岁 曹原进入麻省理工学院

  石墨烯华丽的转身——石墨烯超导效应

  我们知道,地球上的煤炭,石油等不可再生自然资源是有限的,排除水电,风能,太阳能等不可再生资源外,不可再生资源转化而来的电能占人类用电量的大部分。人类为了保护自然环境,提倡使用电能来作为地球的主要能源。就目前的输送电能的材料(金属合金类材料)来说,但是大量的电能其实在输送过程中被损耗掉,对于CPU器件来说,CPU材料电阻产生的热量一直束缚着超大规模的CPU发展,因此人们一直在寻找一种零电阻或者低电阻能减少电能损耗的传输材料。

  

  化石燃料日益枯竭

  随着2004年石墨烯材料的发现,科学家将目光凝聚在这种被称为“新材料之王”的特殊材料上面。

  石墨烯是一种由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯是从石墨分离而来的单层结构。2009年, 英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖(看起来有的时候获得诺贝尔奖也很容易)。

  

  2010年 诺贝尔物理学奖得主

  石墨在生活中十分常见,我们用的铅笔芯就是石墨做的。小小的石墨颗粒还具有润滑的作用,石墨的硬度非常之高,很难将其横向斩断,但是很容易纵向划消,就像一把筷子并在一起一样,纵向很难将它折断,但是一根一根拿掉,却又很容易。但又远比一把筷子坚韧许多,需要3500度的高温才能将其肢解。

  绝缘体与导体的区别在于是否具有自由电子,在有电势差的情况下自由电子的流动形成电流,石墨横向上下的分子层之间是微弱的范德华力维系的,在上下层之间的共轭电子很容易在层与层之间流动,所以石墨横向具有很好的导电性。

  

  石墨晶体

  家用锌锰干电池芯一般是用石墨做的,电池石墨棒易导电、易削却不易斩断。但是,石墨纵向,即垂直于分子层的方向是不具有导电性的,或者说导电性能极差,可以视为绝缘体。因为在纵向上没有可以自由移动的电子,分子层像一张渔网,电子很难摆脱六分子的斥力从渔网中间穿越。

  曹原的在研究过程中,发现将安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫分离的两层石墨烯叠加,并在一定条件下将其一旋转偏移1.1度,神奇的事情发生了,此时石墨烯具有了超导性,即导电并且电阻为零。

  

  石墨烯分子扭转1.1°后获得超导性能

  为什么简单的扭了扭屁股,就从绝缘体变成了超导体?就像钻石与石墨,他们都是有碳元素所构成,但是由于他们的碳原子空间排列不同造就了外观及物理特性的天差地别。所以碳元素的排列角度不同,同样会造成石墨烯的化学性能有所差异。

  任何导电现象,都是自由电子的定向移动。石墨烯旋转1.1度后具有超导性,说明它在纵向上也具有了自由电子,并且这些自由电子是由于旋转改变了分子位置及分子之间的作用力而产生的。

  

  石墨与石墨烯

  那么这些纵向上自由移动的电子是从原子来的?根据质量守恒定律,物质不会凭空产生。当双层石墨烯旋转并呈现出管状截面时,在上下层两个碳原子将产生、未产生原子键之间,存在着未配对的自由电子,这些自由电子是石墨烯在旋转后具有超导性的原因。

  我们目前的物理理论,将物质统一分为原子、分子这样的层级结构,其实这只是我们人类的一种理论。有时候可以换一个角度,用另外一套理论去解释。就像画一样,不同角度的不同画面展现的可以是同一个物体。所以说,量子理论与相对论在某种角度去解释物理现象都是正确的。

  

  石墨烯超导的微观体现

  牛顿,22岁,利用在家待业的时间,苦苦思考用18个月奠定了微积分,力学和光学的理论基础。爱因斯坦25岁时,连发四篇论文,提出了狭义相对论,布朗运动等等具有划时代意义的科学成果。

  虽然曹原现在的成就还远远不如牛顿和爱因斯坦那样伟大。但是证明中国人也可以在年纪轻轻获得较高的理论成果,曹原的成功得益于走的是一条超常教育的路,但是除了他的天赋之外,他的兴趣和努力也是功不可没。

  

  曹原的研究开辟了凝聚态物理学领域

  中国人从来不缺少天才,但是经常会出现小时了了,大未必佳的结局。就像在足球领域,很多孩子有足够的天赋,但是后来的文化和心理教育达不到要求,并且国内的整体足球环境薄弱早造就了一到成年就落后太多。

  中国的科学发展一直落后于西方国家,但是中国自改革开放以来,一直在探索人才培养的教育模式,努力赶上追赶西方国家的科学水平。可是一个曹原是不够的,希望不就的将来有千千万万个曹原。

  

  曹原现在还很年轻,虽然取得了一定的成果,但是他之后的科学研究之路还很长,而且超导效应目前只是在特别的状况下才能实现,并不能在常温下实现,这些都等待着他去发掘。

  

  常温超导总有一天会来临

  我们也有信心常温超导的那天一定会来临!

特别声明:本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布,仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。

跟贴 跟贴 31 参与 272
© 1997-2019 网易公司版权所有 About NetEase | 公司简介 | 联系方法 | 招聘信息 | 客户服务 | 隐私政策 | 广告服务 | 网站地图 | 意见反馈 | 不良信息举报

徐晓亚然

最科学的方式分享美好的科学

头像

徐晓亚然

最科学的方式分享美好的科学

29

篇文章

279

人关注

列表加载中...
请登录后再关注
x

用户登录

网易通行证/邮箱用户可以直接登录:
忘记密码