諾貝爾獎匯聚一堂：科學如何改變生活

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智能手機，GPS，節能照明，太陽能電池，數碼相機…，你能想到嗎？ 這些在我們身邊最常見的物件，其實都來自於諾貝爾獲獎者工作，其實諾貝爾獎並非遙不可及，這些新技術就在我們身邊，而且正在不知不覺的改變著我們的生活。

由年輕科學家和諾貝爾獎得主參加的林道諾貝爾獎得主大會，每年都會在德國康斯坦茨湖南部風景如畫的小鎮林道（Lindau）召開，因此也被稱為林道大會。除了科學家和諾貝爾得主之外還有 3000-4000的科學界學子申請參加會議。林道大會創辦於1951年，主旨是「教育、鼓勵、聯絡」。諾貝爾物理學獎、化學獎、生理學或醫學獎得主每年在此與青年科研人員聚會。

第66屆諾貝爾獎得主大會於6月26日開幕，有29名諾獎得主與來自大約80個國家和地區的400多名年輕科研人員參加了會議。會議邀請了35周歲以下的傑出大學生、研究生和博士後參加會議。參會的物理學家因其在宇宙微波背景輻射、中微子質量、以及宇宙加速擴展等方面的突破性工作獲得了諾貝爾獎。恰是這些領域使得物理學成為了一個雖基礎卻又奇妙的學科，使得這個學科的研究者都充滿了好奇去探索世界未知的規律。

物理學領域裡的應用研究的重要性是不容忽視的，比如，半導體、光學、醫用物理學和納米技術。活躍在這些領域的物理學家們都在技術上取得了突破性的進展，這些技術不僅僅影響了整個社會，也改變著我們每個人的日常生活。

工程師點亮的藍光LED

有些科學家們常常感到他們的工作徘徊在科學和技術的模糊邊界上，諾貝爾物理學獎獲得者日本名古屋大學天野浩也時常有這種感受。作為藍光LED的發明者之一，天野浩非常了解智能手機的全色顯示能帶來多麼完美的體驗，也確信節能LED燈將取代白織燈和熒光燈泡。然而，在天野浩的報告里他這樣說，「在這裡，我首先想說的是我並不是一個物理學家——我覺得我應該是一個工程師。所以，今天我想強調的不單單是科學的重要性，還有工程的重要性」。他用這句話拉開了林道大會的序幕。「也許我研究的內容不是這次會議的主流，但是我想呼籲一下非主流研究的重要性」。

天野浩的報告開始於他的幼年學習生活，他說他小學到高中學習一直很糟糕。因為在他看來在日本用功學習的唯一原因是上一所好高中或好大學，所以他學習動力不足。然而，一個老教授改變了他的想法，這位教授告訴他工程這個學科能夠真正的建立起與民眾之間的聯繫，能為民眾提供切實的幫助。從那一刻起，天野浩努力學習的動力被激發了。

儘管天野浩是日本名古屋大學工程與計算機科學系的教授，但是他卻因為與赤崎勇、中村修二一起發明了高亮度藍光發光二極體（LED）而獲得了2014年諾貝爾物理學獎。赤崎勇與天野浩是名古屋大學的教授，而中村修二則是日亞化學——德島市一家的小公司的僱員。他們的發明是革命性的。儘管紅光和綠光二極體的發明過程很順利，但要產生白光，卻需要紅、藍、綠三原色同時起作用。原來的二極體因為發光能量太低，所以只能發出紅光和綠光，而藍光意味著需要發出更高能量的光。但是三十年來，發明商業上可用的藍光二極體進展緩慢，歷程艱辛。

「很不走運，所有的努力到上世紀70年代全被證明是徒勞的」，天野浩說，藍光LED涉及三個技術難題，其一是藍光LED所選擇的材料氮化鎵GaN，由於晶體增長問題，很難生長出像鏡面一樣平坦的高質量GaN薄膜；其二是很難製備出P型氮化鎵結構；其三是製備高質量的InGaN薄膜非常困難。 「正因為這些難題，很多很多的研究人員放棄了氮化鎵，開始尋找新的材料研究，比如用硒化鋅等等。就只有一個人沒有放棄這種材料，他就是我的導師——赤崎勇教授」。赤崎勇經過堅持不懈研究，在經歷了多次失敗後，終於在世界上首次實現氮化鎵的PN結，為利用氮化鎵材料製造藍色發光二極體奠定了基礎。

1986年，赤崎勇和天野浩首次製成高質量的氮化鎵晶體，他們所採用的方法是在藍寶石襯底上塗上一層氮化鋁材料，並在上面生長氮化鎵晶體，他們成功地創造出一種晶體生長環境。幾年後，他們在創設P層的工作上取得突破。當赤崎勇和天野浩在掃描電鏡下觀察培養出的氮化鎵晶體時，他們無意間注意到在用電鏡觀察時晶體的發光強度似乎增強了，這說明掃描電鏡產生的電子流能夠提升P層的效率。到了1992年，他們終於製成世界上第一個高亮度的發藍光LED 。由此光的三原色終於齊備。

經過中村修二的創新，LED生產商能夠將這個華麗的藍光LED和紅、綠LED一起生產三原色（紅、綠和藍）LED，從而使實現1600萬色成為可能，使智能手機、電腦和電視的顯示屏實現全彩顯示。使用藍光LED和黃色熒光粉製成的高效率、持久型白光燈泡已經開始在全世界範圍內替代白織燈和熒光燈泡。白熾燈泡點亮了20世紀，而21世紀將由LED點亮。到2020年，通過將現有的照明系統更換成LED，日本全社會用電量將降低7%——節約1兆日元儲備。

量子物理和全球定位系統

另一個物理學的重要領域是量子物理。量子世界是奇妙的，有時候又常常產生自我矛盾。普遍認為很多量子現象只存在於理論學家的思想中，因為直接的實驗觀察會破壞個體量子系統。

然而，諾貝爾獎獲得者David Wineland的研究工作證明了實驗的方法可以驗證量子理論，他們分別將光子和離子孤立起來，無破壞性的對他們進行測量。2012年，David Wineland和Serge Haroche因獨立發現在不破壞量子力學性質的條件下，量度和操縱個體粒子系統的突破性實驗方法，而一同獲得諾貝爾物理學獎。他們應用激光冷卻離子技術，製作出到2012年為止極端精確的原子鐘，比較銫原子鐘的頻率標準還要精確兩個數量級。

David Wineland

「毫無疑問，幾個世紀以來導航一直是精確時鐘的一個用途，即便到了今天也是如此，」，Wineland在林道大會的報告中指出。「所以精確時鐘理所應當應用在全球定位系統（ Global Positioning System，GPS）中。

GPS系統在每顆衛星上裝置有十分精密的原子鐘，並由監測站經常校準。衛星發送導航信息，同時也發送精確時間信息。GPS接收機接收此信息，使與自身的時鐘同步，就可獲得準確的時間。所以，GPS接收機除了能準確定位之外，還可產生精確的時間信息。首先，待測點與衛星之間傳輸一束電磁波，這束電磁波中含有信號發出的時間信息。由於電磁波的傳輸速度是光速，因此，通過測量傳輸的時間間隔，就可以得到該點和衛星之間的距離。當然，僅僅知道傳輸點到一顆衛星之間的距離還不足以測定待測點的準確位置，但如果我們有四顆同樣的衛星，分別處於地球上空不同的位置，以待測點為圓心，該點和衛星之間的距離為半徑，畫四個圓，這樣，通過測定四個圓的交點，就可以準確地測定待測點在地球上的位置了。 「時鐘上可能存在誤差，舉個例子，假如時鐘同步到納秒，則距離的不確定性大約在30厘米左右」。

Wineland是美國國家標準與技術研究所離子儲存研究組的團隊領導者。他從1979年開始用原子離子做實驗，一直致力於研發更加準確的鐘。Wineland把單個鈹離子囚禁於電磁阱中，離子帶電，在由適當幾何形狀的電極構成的靜態交流電磁構成的靜態和交流電磁場結合的電磁阱中，離子可以懸浮起來，並與外界環境隔離。Wineland研究組的另一個突破性的貢獻是把離子的電子量子疊加態轉換為振動疊加態，並再進行相反的轉移。離子阱對單個離子的控制和操縱在原子鐘上有重要應用。

一個光學鐘的精度能高於10的負17次方（30億年不差1秒），也就意味著假如你在140億年前大爆炸時期開始讓一個時鐘計時，到現在它可能只有5秒鐘的誤差。

在報告結尾，Wineland描述說如果將他的原子鐘用於導航，誤差會少於1厘米，這不僅使GPS變得更加精確，而且這種時鐘可以通過測量地球上相對位置的動態變化來預測地震。

最薄最堅硬的石墨烯

「 我個人卻從來沒有期望能獲得這個獎項（諾貝爾物理學獎）。我昨晚睡得很香，因為我根本沒有期望能拿獎。當有些人拿到諾貝爾獎後開始停止做科研，甚至停止做很多他該去做的事，並且其他方面的事物會纏繞著他很多年，這樣他更不能專心工作。但對於我來說，我會像往常一樣繼續我的研究，認真工作，享受研究。」 英國曼徹斯特大學教授Andrew Geim在獲得2010年諾貝爾物理學獎以後說了這樣一番話。2004年在曼徹斯特大學的實驗室里，Andrew Geim和Kostya Novoselov領導的科研團隊成功從石墨中分離出石墨烯，證明石墨烯是可以單獨存在的，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。自那時起，石墨烯就一直被視為科技領域的扭轉乾坤者。

Andrew Geim

石墨烯的發現過程很有意思，Andrew Geim在一個星期的時間裡，成功地把石墨薄片做到了只有10層厚。後來， 他與合作Kostya Novoselov更是最終得到了單層的石墨，也就是石墨烯。得到石墨烯，Andrew Geim用的是最便宜的工具——透明膠帶。

Geim用透明膠帶粘在石墨的頂層再撕下來，這樣就會有碎片脫落，粘在膠帶上。當然這時碎片仍然相對較厚。蓋姆對摺膠帶，再粘一次，這樣就能得到更薄一些的碎片。然後重複這個過程10到20次，就用這種方法得到了10層厚的石墨薄片。

「石墨烯是一種薄的讓你無法想像的材料，擁有最大的表面重量比，一克石墨烯足可以覆蓋幾個足球場的面積。同時，它是有史以來強度最大的物質，是我們所知道的最堅固的材料。我們知道，它還是拉伸強度最好的晶體」 關於石墨烯，Geim是這樣描述的。「之所以它在物理學領域內大受歡迎，是因為首先，它是兩維的，是學習基礎物理學最佳的維度；第二，是石墨烯有著源自於cC-C鍵的極牢固的性質；最後一點是它具有金屬性」。

作為目前科學界發現的第一個二維晶體，石墨烯是最輕薄且最堅硬的納米材料，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，其每100納米距離上可承受的最大壓力達到約2.9微牛。這一結果相當於，施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂。如果能製作出厚度相當於塑料包裝袋（100納米）的石墨烯，需要施加約2萬牛頓的壓力才能將其扯斷。它只有一個碳原子的厚度，比人類的頭髮還要細100萬倍。它比鑽石堅硬，斷裂強度是鋼材的200倍。同時它的彈性和延展性也十分出彩，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%，具有優於銅的超導電性。它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。它的電阻率極低，電子跑的速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管，也適合用來製造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

石墨烯優良的彈性和延展性使它成為製造太陽能電池最理想的候選者。目前大多數的太陽能電池都是由硅製成，硅需要高度純化後再製成晶體並切成薄片，價格一直比較昂貴。相比於硅，石墨烯能夠更高效地進行光電轉化。硅每吸收一個光子只能產生一個電流電子，而石墨烯能產生多個電子。儘管目前石墨烯應用於太陽能電池領域尚處於理論階段，但它潛在的可能性是驚人的。石墨烯太陽能電池能實現60%的光電轉換率，是目前公認效率最大的晶體硅太陽能電池的兩倍。

石墨烯輕薄而堅硬的屬性還可以為汽車、飛機生產商提供更優質的生產材料，石墨烯製成的運輸工具將大大減低燃油消耗，他還可以將藥品傳送到人體的特定位置，在治療腦部疾病方面大有可為；石墨烯薄膜還可以用來過濾海水，提取其中的鹽分和其他雜質，凈化出可飲用水。石墨烯也推動了醫學和天文學的發展，在疾病診斷、人體透視及顯微外科等領域都有著廣泛用途。

參考原文

http://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/how-nobel-laureates-work-leads-to-new-technology

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