在人类科技发展的历程中，每一种新材料的发现，都把人类支配自然的能力提升到一个新的高度，追溯历史的长河，无论哪个时期，哪个国家，只要拥有了先进的材料基础，就会引领世界的发展方向。

七十多年前，美国物理学家费曼提出了一个伟大的构想：

“如果有一天，可以按人的意志排列一个个原子，将会产生怎样的奇迹？”

费曼不愧为最伟大的量子力学大师，因为他知道在微观粒子尺度上，物质的物理、化学和生物学特性都会和宏观尺度下的原物质大相径庭。因此，若能重建物质的原子排列方式，就能彻底改变物质的属性，这将对未来的科技、工程和医学等领域产生极为深远的影响。

01

碳是一种非常神奇的元素，它既有一定的金属性（原子失去电子的能力），也有一定的非金属性（原子得到电子的能力），但两种属性都不强，所以碳元素具有“模棱两可”的状态。

这种中性的原子状态，消除了碳原子的化学极性。失去了极性，就有了更多的可能：

碳不是地球上含量最多的元素（排名第十二），但其拥有的化合物种类却是所有元素中最丰富的。

因而地球上绝大多数的重要化合物，都离不开碳的身影，比如氨基酸就是以碳元素为基础的碳链，DNA的基本组成单位脱氧核苷酸，也是长长的碳链，所有地球生命都可以叫做碳基生命。

在日常生活中，我们也会常常接触到许多含碳的物质，从较软的石墨到最硬的钻石，尽管组成物质都是碳元素，但是由于碳原子排列方式不同，它们展现出的材质特性也完全不同。

钻石的产量和价格决定了它并不能走入寻常百姓家。而科学家在分离石墨时发现，它们的碳原子会紧密连接而成二维蜂窝状晶格结构，科学家将这种碳原子结构称为石墨烯，其具有一大堆的神奇特性：

比如发生破损时，只需要用含有碳原子的物质接触，它就能进行自我修复；有超高的透光率，看起来几乎就是透明的；有极高的力学、导电和导热的性能等等。

所有这些优异的特性，都让科学家们垂涎欲滴，可是即便我们完全清楚这种材料的特性——在微观尺度上有着不同寻常的结构，但想要把它们制造出来，却是一件非常困难的事情。

简单说来，若能从石墨片表面撕下1个碳原子那么厚的薄薄一层，我们就获得了石墨烯。

可是，即便科学家们想尽了各种办法，其中包括氧化还原法、取向附生法、化学气相沉积法等等。但这些方法制造出来的石墨烯，要么是不够均匀，要么就是成本过于高昂。

直到2004年，英国科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃瑟洛夫发明了一种非常简单的方法——“机械剥离法”：

就是从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将石墨片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地重复这样的操作，石墨片越来越薄，最后，再用溶液把胶带溶解掉，得到仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。

凭借这种简单有效的“撕胶带”方法，两位科学家获得了2010年度的诺贝尔物理学奖。

但是，这种制取石墨烯的方法依然有缺陷：

理论上使用胶带总是可以把石墨一分为二，可是胶带上的胶也并不总是均匀的，这会导致石墨烯的完整性被破坏，所以这种方法制取的石墨烯通常都是几微米大小的碎片。

看来人类若想在微观状态下获取新型材料，此时仅仅是看到了一丝曙光而已……

不过，值得庆幸的是，如今有一种加工精度已到纳米级的（1原子约为0.1纳米）技术——“光刻”，已经发展得非常成熟可靠：

这种方法是将半导体硅材料在紫外光的照射作用下，利用光学 化学反应和化学 物理刻蚀的方法，将细微到纳米级的电路图复刻到硅单晶表面。

经过光刻加工的硅芯片也可以算作是一种特殊材料，因为通过加工精度细微到纳米级的微观结构，可以使硅芯片在通电后可以具备传递、计算和存储等神奇的功能（需要软件的配合）。

但目前有一个难点是，当硅芯片的加工精度突破5纳米后，便已经到达它的物理极限——引发电子的隧穿效应，此时的芯片便会不受控制地产生漏电现象，导致芯片的功耗明显增加。

因此，除了撕胶带法和光刻技术，我们还需要寻找另外一种制造具备神奇特性新材料的方向：

“比如直接操纵原子得到所需的新结构材质。”

02

实际上，我们对单个原子的操纵早就实现了。1989年9月28日，IBM阿尔马登研究中心的物理科学家、IBM院士多恩·艾格勒成为人类历史上第一个控制和移动单个原子的人。

当年11月11日，艾格勒和他的团队用扫描隧道显微镜操控35个氙原子，拼写出了“I、B、M”三个字母，由此开启了人类操纵原子的新纪元。

第一台扫描隧道显微镜及其发明人宾宁(右)和罗雷尔(左)

扫描隧道显微镜发明于1981年，作为一种扫描探针显微术（分辨率为纳米级）工具，它其实是没有镜片的，靠的是一个针尖和样品之间的隧道电流来测量样品表面。它可以观察和定位单个原子。此外，扫描隧道显微镜的最大贡献是：

在4K（-269.15 ）低温的超高真空下可以利用探针尖端精确操纵单个原子：

利用导电探针尖与样品表面的隧穿电流，为探针尖端原子和衬底原子提供可控的相互作用力。

可是，扫描隧道显微镜所观察的材料必须具有一定程度的导电性，这便决定了它的局限性：

“对半导体材料的观测效果要差于导体，而对于绝缘体则根本无法直接观察。”

1985年，物理学家格尔德·宾宁又“魔力上身”，联合IBM公司苏黎世研究中心的克里斯托夫·格贝尔、斯坦福大学的加尔文·奎特共同发明出了一种使非导体也可以采用类似扫描探针显微镜观测的机器——原子力显微镜。

这是一种可用来研究包括绝缘体在内的材料表面结构的分析仪器，属于一种接触式的显微镜，它利用探针与样品间的接触力，得到样品的表面形貌。原子力显微镜同样具有诸多优点：

“可以提供真正的三维表面图；不需要对样品作任何特殊处理，在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作；可以用来研究生物宏观分子，甚至是活的生物组织。”

三角烯实验首席科学家 利奥·格罗斯

那么，把二者相互结合在一起便会产生大于1+1 2的效果，2017年2月13日，IBM的科学家们用扫描隧道显微镜结合原子力显微镜突破了一项重大科研成果：

他们用扫描隧道显微镜的针尖手工“敲打”原子，首次成功合成并捕捉到能稳定存在4天之久的三角烯分子。

长期以来，科学家们一直认为三角烯分子根本无法以晶体形式合成，因为它们会不受控制地聚合。

三角烯是一种由六边形碳原子环状构成的分子材料，与石墨烯极为相似，不过和成片状展开的石墨烯不同，三角烯中仅含六个六边形碳环，并呈现出类似于三角形的形状。

捷克科学家埃里希·克拉尔

由于这种不寻常的排列方式会产生两个不成对的电子，使得三角烯极易被氧化，难以稳定存在。所以三角烯分子自1950年被捷克科学家埃里希·克拉尔首次预测以来，一直未能被人工合成。

因此，为了验证实验是否成功，IBM团队成员对生成物的形状、对称性、磁性等特性进行研究。结果发现，生成物确实呈现出三角形结构，而且能在铜表面稳定存在。另外两个未配对的电子也表现出一种特别的电子自旋现象，使得三角烯在分子水平上呈现出磁性。

那么，自从石墨烯面世后，研究者普遍认为石墨烯是一种抗磁材料——即石墨烯没有磁性以及不能被磁化。现在碳原子呈三角烯结构竟然具有非常独特的磁性性能。这无疑颠覆了人们的固有认知，甚至可以带动一个改写历史的领域兴起——碳基磁性材料的时代来临：

“这意味着碳原子的三角烯结构可以用来构建量子计算机及自旋电子器件等。并且这一操作结果可进一步带来更多颠覆性的技术，最终目标便是能够制造任意的分子结构。”

03

当然，操纵原子这一设想不能只有一种方法，1970年，美国物理学家亚瑟·阿什金发现：

“激光束产生的力可以推动分布在水或者空气中的微小粒子，并且散射的激光也会对微粒产生明显的推力。”

1986年，阿什金做了一个实验：

他用一束聚焦的激光来照射粒子，激光的散射光与激光本身组成了一个陷阱，像镊子一样把粒子固定住了，这就是著名的光镊，阿什金也因此被称为“光镊之父”。

在观看了这个实验后，阿什金在贝尔实验室的同事，华裔科学家朱棣文大受启发，他立即投入了相关的研究。

朱棣文发现，激光的压力可以让高速运动的原子和分子减速，并且让它们冷却下来。他用来自不同方向的多束激光，把原子控制住。1997年，朱棣文幸运地凭借着激光冷却和捕获原子的方法，先于阿什金获得了诺贝尔物理学奖，成为第五位获得诺奖的华裔科学家。

一直到2018年，已经96岁高龄的阿什金，终于等来了他的诺贝尔奖。他发明的光镊，也是目前最有希望参与活体细胞甚至是基因编辑的技术原理：

“”光镊可以非接触、无损伤地操纵活体物质，并且它产生的压力适合于生物细胞、亚细胞以及原子物理的研究。”

结语

每当我们认为科学的发展已经到了瓶颈的时候，这些可爱的科学家们总会让我们看到新的希望。未来可期！

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