2004年,這一論斷被科學(xué)界所打破,俄羅斯籍學(xué)者安德烈?海姆(Andre Geim)和康斯坦丁?諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)在英國通過最原始的方法,通過透明膠布反復(fù)粘貼鉛筆芯的方法,把單原子層的石墨烯片從石墨中提純出來。他們的發(fā)現(xiàn)打破了吉布斯自由能理論在石墨烯上的誤區(qū),在自然理論上具有較大意義,因此獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
后來科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),石墨烯這種材料是我們?nèi)祟愐阎牧现袕?qiáng)度最大、最硬的物質(zhì)。從石墨的自然界最“最軟物質(zhì)”,到石墨烯的“最硬物質(zhì)”竟然離的如此之近,這反而印證我國那句古話“物極必反”的道理。從這里可以看出,西方看似復(fù)雜的科學(xué)理論,在我國傳統(tǒng)哲學(xué)里面早都給出了答案。
我們知道自然界各種各樣的植物、動(dòng)物都以碳為基本元素,這是因?yàn)樘季哂胸S富的化學(xué)性質(zhì),便于構(gòu)造各種各樣的化學(xué)物質(zhì)。正因?yàn)樘嫉拇嬖,自然界才有各種各樣的植物和動(dòng)物,才有如此豐富多彩的自然世界,可以這樣說我們的文明就是建立在碳為基礎(chǔ)的碳基文明。然而近代以來,由西方社會(huì)引發(fā)的科學(xué)革命對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)并非從碳開始的,而是是從重金屬鐳開始的。
19世界末,當(dāng)牛頓和伽利略等人建立了以萬有引力理論為主的力學(xué)體系,法拉第和麥克思維等人建立了電磁場理論體系,玻爾茲曼等人建立了熱力學(xué)體系后,物理學(xué)界基本完成人類常規(guī)尺度的理論體系構(gòu)架。當(dāng)物理學(xué)界為此歡欣鼓舞的時(shí)候,認(rèn)為物理學(xué)即將完結(jié)的時(shí)候,居里夫人發(fā)現(xiàn)鐳,并由此引發(fā)光電效應(yīng)、黑體輻射等問題成為物理學(xué)界的兩朵烏云之一(另一朵烏云是證明以太假說的克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn))。正是物理學(xué)界對(duì)這“兩朵烏云”的深入研究,人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)從常規(guī)尺度分別向宏觀和微觀邁進(jìn),并因此建立了以量子力學(xué)為主的微觀物理學(xué)體系和以相對(duì)論為基礎(chǔ)的宏觀物理學(xué)體系。
量子力學(xué)的出現(xiàn)加大的促進(jìn)人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí),人類對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)深入到原子尺度,人類根據(jù)此理論對(duì)分別對(duì)重元素和氫元素進(jìn)行研究,發(fā)明了鐳元素為核心的核彈、以氫為基礎(chǔ)的氫彈。從此,人類對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)從分別從高原子和輕原子兩頭開始,逐漸向中間元素聚集。 后來人類對(duì)以Si原子的原子尺度的深入研究,并因此發(fā)明了計(jì)算機(jī)從而引發(fā)計(jì)算機(jī)革命,后來互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),人類由此進(jìn)入信息文明時(shí)代,可以這樣說目前的信息文明是建立在Si的基礎(chǔ)上。目前,我們已經(jīng)處于信息文明的末端,隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)的發(fā)明的出現(xiàn)和大規(guī)模應(yīng)用,信息文明即將迎來最輝煌的高潮。這個(gè)世界上,高潮也意味著結(jié)束,在未來的若干年以后,隨著信息文明的謝幕,人類將回到最初構(gòu)成人類本身的碳基文明時(shí)代及綠色文明時(shí)代。
目前,構(gòu)筑現(xiàn)代社會(huì)的基本元素都非碳基。最早建立汽車、輪船、鋼鐵等工業(yè)生產(chǎn)體系都是以金屬Fe為主的金屬元素,后來建立的飛機(jī)產(chǎn)業(yè)是以Al元素為基礎(chǔ),建筑業(yè)常用的水泥、磚等都以硅元素為主,現(xiàn)代建筑業(yè)是鋼鐵和水泥的堆積,則是以Fe和Si元素的結(jié)合,計(jì)算機(jī)、光纖是建立的Si元素的基礎(chǔ)上,最近鋰電池材料是以Li元素的基礎(chǔ)上,現(xiàn)在人們常用的智能手機(jī)則是Si和Li的結(jié)合。從中可以看出越是先進(jìn)、出現(xiàn)較晚的物質(zhì)或工具,起構(gòu)成元素離C越近。
碳是構(gòu)成人體物質(zhì)的最基本元素,研究天文學(xué)都知道,宇宙中各種天體中碳元素是如此的少,在除地球之外的其他星球中很難找不到碳元素,這使得尋找外星文明的過程變成尋找碳元素的過程。以前人們認(rèn)為,恒星核聚變是產(chǎn)生碳元素的主要原因,但最近的研究表明碳-12的合成非常困難,還帶有很大的偶然性。所以宇宙中C元素如此的少,導(dǎo)致人們認(rèn)為碳是上帝賦予的。實(shí)際上,碳是宇宙中最珍貴、最神秘、最富靈性的元素。正是地球中有了C的存在,才有生命的可能。只有C元素構(gòu)成的生物界的才有自組織能力,其他元素都是逐漸從有序變成無序,生物界才可以完成把物質(zhì)從無序轉(zhuǎn)變成有序。因此歷史注定由碳元素完成最后一次科技革命的飛躍。
目前,構(gòu)筑人類社會(huì)現(xiàn)代社會(huì)的各種工業(yè)產(chǎn)品,如汽車、飛機(jī)、電腦、手機(jī)高層建筑等都不是建立在C的基礎(chǔ)上,都是無機(jī)物。這些無機(jī)物都必須從自然界各種礦物中提純,而提純這些無機(jī)物需要浪費(fèi)大量的能量,現(xiàn)在這些能量主要來自于地球以往存儲(chǔ)的化石燃料,隨著化石燃料的枯竭,人類的文明將無以為繼。
化石燃料的燃燒也帶來了越來越多的環(huán)境問題,人與自然界和生物界的矛盾越來越大,我們不僅要問人類將走向何方,如何才能找到一條可持續(xù)的發(fā)展之路;卮疬@些問題的答案可能就在我們的生物界里,生物界的各種植物,只要利用光合作用便可以合成自身所需要的所有物質(zhì),這種高效率的能量利用方式值得我們借鑒。人類什么時(shí)候能夠像植物那樣靈活運(yùn)用碳元素的特性,合理控制光合作用,那將是人類向高級(jí)文明進(jìn)步的階梯。
目前出現(xiàn)的太陽能發(fā)電裝置、風(fēng)能發(fā)電裝置都不盡人意,不經(jīng)利用效率低,而且制造這些零部件所耗費(fèi)的能源可能遠(yuǎn)大于這些零部件在其生命周期所發(fā)的電能,這意味著以目前的風(fēng)能和太陽能發(fā)電裝置推廣意義并不大,這些并不能代表未來綠色科技文明的發(fā)展方向。另一方面,盡管目前建立在硅基礎(chǔ)上的計(jì)算機(jī)非常發(fā)達(dá),但目前計(jì)算機(jī)芯片面臨著不能于人體大腦結(jié)合的瓶頸,這意味這我能創(chuàng)造的各種工業(yè)品只能是工具,都是身外之物。這不符合中國關(guān)于“天人合一”哲學(xué)體系,把人與物割裂開來,未來世界,我們用的各種工具必將朝著與人體相融合的方向發(fā)展,這才是人類的最終歸宿。
目前,人類正處于回歸C基文明的前夜,F(xiàn)在,隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng),物聯(lián)網(wǎng)等信息文明最高級(jí)形式的到來,建立在硅基文明上的信息文明慢慢走向謝幕。我們將迎來建立在C基礎(chǔ)上的高級(jí)文明。我們將能夠控制物質(zhì)的合成,我們可以隨心所欲根據(jù)需要合成人類所需的大多數(shù)材料,在新的文明里,我們的能源不再用化石燃料,我們將植物進(jìn)行光合作用那樣,高效獲得能源。我們能夠與自然界和諧共處,我們制造的工具都是C材料,人與機(jī)器的融合將達(dá)到全新的高度,人類的能力將被無限放大。
石墨烯的發(fā)現(xiàn)是解開人類進(jìn)入高級(jí)文明的一把最好的鑰匙。人類對(duì)材料的認(rèn)識(shí)都是從宏觀到微觀的深入,對(duì)微觀物質(zhì)的認(rèn)識(shí)越深刻,人類的進(jìn)步也就越快。
近代計(jì)算機(jī)芯片的出現(xiàn),正是由于量子力學(xué)的出現(xiàn),人類對(duì)硅基材料深入到原子級(jí)別,芯片才得以發(fā)明,人類才能邁進(jìn)信息文明的偉大時(shí)代。目前,建立硅基礎(chǔ)的芯片越來越暴露其缺陷性,我們的CPU芯片很難在超過100℃下使用,我們不得不想各種方法來給芯片降溫,隨著計(jì)算機(jī)頻率的提高,硅基的計(jì)算機(jī)芯片將離其理論峰值越來越近,也就是我們計(jì)算機(jī)性能在原有硅材料已經(jīng)不可能有大的提高了。例如,目前我們只能利用多核CPU的增加運(yùn)算性能。C材料的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于硅材料。石墨烯的熔點(diǎn)高達(dá)3000多度,這意味著未來如果以石墨烯制成芯片將不用再擔(dān)心散熱問題,石墨烯的導(dǎo)電性意味著更少的發(fā)熱,高導(dǎo)熱性意味更好散熱能力,這一切都預(yù)示這新一輪計(jì)算機(jī)文明即將到來。
石墨烯是人類首次制造出可以穩(wěn)定存在的原子級(jí)材料,石墨烯只有一個(gè)原子層厚,人類首次真正可以和原子打交道,這種物質(zhì)是人類叩開微觀世界大門的鑰匙。石墨烯也最簡單的原子級(jí)別的碳材料,正因?yàn)楹唵危圆湃菀桌斫,人類?duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)都是從最簡單的開始的,逐漸深入進(jìn)去的。自然界恐怕很難找到像石墨烯這樣簡單可以穩(wěn)定存在并被分離的原子尺度的物質(zhì),石墨烯的特殊性就像上帝故意留給人類超越自身局限性的bug。對(duì)石墨烯基礎(chǔ)性的原子級(jí)別研究,將引發(fā)人類對(duì)物質(zhì)世界的新認(rèn)識(shí),人類也將可能因此實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的進(jìn)行原子尺度的構(gòu)造的新篇章。在未來,人們可能會(huì)像植物制造蛋白質(zhì)那樣精確構(gòu)造自己想要的物質(zhì),這也將必然引發(fā)新的能源革命。我們未來的許多工業(yè)體系必將因此改寫。石墨烯是偉大不僅從中國傳統(tǒng)哲學(xué)可以看出,也可以從科技發(fā)展史可以看出。
石墨烯的曙光已經(jīng)顯現(xiàn),最近石墨烯制造的電池可以實(shí)現(xiàn)一分鐘充電,石墨烯制造的CPU也即將變成現(xiàn)實(shí),這都是黎明前的曙光。石墨烯改變不是一個(gè)領(lǐng)域,而是整個(gè)社會(huì),整個(gè)工業(yè)體系的變革,鎖著石墨烯的深入,我們必將迎來全新的文明。在這場文明即將到來之際,希望中國人能夠認(rèn)識(shí)到石墨烯的偉大,抓住機(jī)遇,爭取趕超,利用石墨烯這把鑰匙打開未來綠色文明的大門,做新時(shí)代的引領(lǐng)者。