在人類科技發展的歷程中，每一種新材料的發現，都把人類支配自然的能力提升到一個新的高度，追溯歷史的長河，無論哪個時期，哪個國家，只要擁有了先進的材料基礎，就會引領世界的發展方向。
七十多年前，美國物理學家費曼提出了一個偉大的構想：
“如果有一天，可以按人的意志排列一個個原子，將會產生怎樣的奇蹟？”
費曼不愧為最偉大的量子力學大師，因為他知道在微觀粒子尺度上，物質的物理、化學和生物學特性都會和宏觀尺度下的原物質大相徑庭。因此，若能重建物質的原子排列方式，就能徹底改變物質的屬性，這將對未來的科技、工程和醫學等領域產生極為深遠的影響。
01
碳是一種非常神奇的元素，它既有一定的金屬性（原子失去電子的能力），也有一定的非金屬性（原子得到電子的能力），但兩種屬性都不強，所以碳元素具有“模稜兩可”的狀態。
這種中性的原子狀態，消除了碳原子的化學極性。失去了極性，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），但其擁有的化合物種類卻是所有元素中最豐富的。
因而地球上絕大多數的重要化合物，都離不開碳的身影，比如氨基酸就是以碳元素為基礎的碳鏈，DNA的基本組成單位脫氧核苷酸，也是長長的碳鏈，所有地球生命都可以叫做碳基生命。
在日常生活中，我們也會常常接觸到許多含碳的物質，從較軟的石墨到最硬的鑽石，儘管組成物質都是碳元素，但是由於碳原子排列方式不同，它們展現出的材質特性也完全不同。
鑽石的產量和價格決定了它並不能走入尋常百姓家。而科學家在分離石墨時發現，它們的碳原子會緊密連線而成二維蜂窩狀晶格結構，科學家將這種碳原子結構稱為石墨烯，其具有一大堆的神奇特性：
比如發生破損時，只需要用含有碳原子的物質接觸，它就能進行自我修復；有超高的透光率，看起來幾乎就是透明的；有極高的力學、導電和導熱的效能等等。
所有這些優異的特性，都讓科學家們垂涎欲滴，可是即便我們完全清楚這種材料的特性——在微觀尺度上有著不同尋常的結構，但想要把它們製造出來，卻是一件非常困難的事情。
簡單說來，若能從石墨片表面撕下1個碳原子那麼厚的薄薄一層，我們就獲得了石墨烯。
可是，即便科學家們想盡了各種辦法，其中包括氧化還原法、取向附生法、化學氣相沉積法等等。但這些方法制造出來的石墨烯，要麼是不夠均勻，要麼就是成本過於高昂。
直到2004年，英國科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃瑟洛夫發明了一種非常簡單的方法——“機械剝離法”：
就是從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然後將石墨片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地重複這樣的操作，石墨片越來越薄，最後，再用溶液把膠帶溶解掉，得到僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。
憑藉這種簡單有效的“撕膠帶”方法，兩位科學家獲得了2010年度的諾貝爾物理學獎。
但是，這種製取石墨烯的方法依然有缺陷：
理論上使用膠帶總是可以把石墨一分為二，可是膠帶上的膠也並不總是均勻的，這會導致石墨烯的完整性被破壞，所以這種方法制取的石墨烯通常都是幾微米大小的碎片。
看來人類若想在微觀狀態下獲取新型材料，此時僅僅是看到了一絲曙光而已……
不過，值得慶幸的是，如今有一種加工精度已到奈米級的（1原子約為0.1奈米）技術——“光刻”，已經發展得非常成熟可靠：
這種方法是將半導體矽材料在紫外光的照射作用下，利用光學→化學反應和化學→物理刻蝕的方法，將細微到奈米級的電路圖復刻到矽單晶表面。
經過光刻加工的矽晶片也可以算作是一種特殊材料，因為透過加工精度細微到奈米級的微觀結構，可以使矽晶片在通電後可以具備傳遞、計算和儲存等神奇的功能（需要軟體的配合）。
但目前有一個難點是，當矽晶片的加工精度突破5奈米後，便已經到達它的物理極限——引發電子的隧穿效應，此時的晶片便會不受控制地產生漏電現象，導致晶片的功耗明顯增加。
因此，除了撕膠帶法和光刻技術，我們還需要尋找另外一種製造具備神奇特性新材料的方向：
“比如直接操縱原子得到所需的新結構材質。”
02
實際上，我們對單個原子的操縱早就實現了。1989年9月28日，IBM阿爾馬登研究中心的物理科學家、IBM院士多恩·艾格勒成為人類歷史上第一個控制和移動單個原子的人。
當年11月11日，艾格勒和他的團隊用掃描隧道顯微鏡操控35個氙原子，拼寫出了“I、B、M”三個字母，由此開啟了人類操縱原子的新紀元。
第一臺掃描隧道顯微鏡及其發明人賓寧(右)和羅雷爾(左)
掃描隧道顯微鏡發明於1981年，作為一種掃描探針顯微術（解析度為奈米級）工具，它其實是沒有鏡片的，靠的是一個針尖和樣品之間的隧道電流來測量樣品表面。它可以觀察和定位單個原子。此外，掃描隧道顯微鏡的最大貢獻是：
在4K（-269.15℃）低溫的超高真空下可以利用探針尖端精確操縱單個原子：
利用導電探針尖與樣品表面的隧穿電流，為探針尖端原子和襯底原子提供可控的相互作用力。
可是，掃描隧道顯微鏡所觀察的材料必須具有一定程度的導電性，這便決定了它的侷限性：
“對半導體材料的觀測效果要差於導體，而對於絕緣體則根本無法直接觀察。”
1985年，物理學家格爾德·賓寧又“魔力上身”，聯合IBM公司蘇黎世研究中心的克里斯托夫·格貝爾、斯坦福大學的加爾文·奎特共同發明出了一種使非導體也可以採用類似掃描探針顯微鏡觀測的機器——原子力顯微鏡。
這是一種可用來研究包括絕緣體在內的材料表面結構的分析儀器，屬於一種接觸式的顯微鏡，它利用探針與樣品間的接觸力，得到樣品的表面形貌。原子力顯微鏡同樣具有諸多優點：
“可以提供真正的三維表面圖；不需要對樣品作任何特殊處理，在常壓下甚至在液體環境下都可以良好工作；可以用來研究生物宏觀分子，甚至是活的生物組織。”
三角烯實驗首席科學家 利奧·格羅斯
那麼，把二者相互結合在一起便會產生大於1+1＞2的效果，2017年2月13日，IBM的科學家們用掃描隧道顯微鏡結合原子力顯微鏡突破了一項重大科研成果：
他們用掃描隧道顯微鏡的針尖手工“敲打”原子，首次成功合成並捕捉到能穩定存在4天之久的三角烯分子。
長期以來，科學家們一直認為三角烯分子根本無法以晶體形式合成，因為它們會不受控制地聚合。
三角烯是一種由六邊形碳原子環狀構成的分子材料，與石墨烯極為相似，不過和成片狀展開的石墨烯不同，三角烯中僅含六個六邊形碳環，並呈現出類似於三角形的形狀。
捷克科學家埃裡希·克拉爾
由於這種不尋常的排列方式會產生兩個不成對的電子，使得三角烯極易被氧化，難以穩定存在。所以三角烯分子自1950年被捷克科學家埃裡希·克拉爾首次預測以來，一直未能被人工合成。
因此，為了驗證實驗是否成功，IBM團隊成員對生成物的形狀、對稱性、磁性等特性進行研究。結果發現，生成物確實呈現出三角形結構，而且能在銅表面穩定存在。另外兩個未配對的電子也表現出一種特別的電子自旋現象，使得三角烯在分子水平上呈現出磁性。
那麼，自從石墨烯面世後，研究者普遍認為石墨烯是一種抗磁材料——即石墨烯沒有磁性以及不能被磁化。現在碳原子呈三角烯結構竟然具有非常獨特的磁性效能。這無疑顛覆了人們的固有認知，甚至可以帶動一個改寫歷史的領域興起——碳基磁性材料的時代來臨：
“這意味著碳原子的三角烯結構可以用來構建量子計算機及自旋電子器件等。並且這一操作結果可進一步帶來更多顛覆性的技術，最終目標便是能夠製造任意的分子結構。”
03
當然，操縱原子這一設想不能只有一種方法，1970年，美國物理學家亞瑟·阿什金髮現：
“鐳射束產生的力可以推動分佈在水或者空氣中的微小粒子，並且散射的鐳射也會對微粒產生明顯的推力。”
1986年，阿什金做了一個實驗：
他用一束聚焦的鐳射來照射粒子，鐳射的散射光與鐳射本身組成了一個陷阱，像鑷子一樣把粒子固定住了，這就是著名的光鑷，阿什金也因此被稱為“光鑷之父”。
在觀看了這個實驗後，阿什金在貝爾實驗室的同事，華裔科學家朱棣文大受啟發，他立即投入了相關的研究。
朱棣文發現，鐳射的壓力可以讓高速運動的原子和分子減速，並且讓它們冷卻下來。他用來自不同方向的多束鐳射，把原子控制住。1997年，朱棣文幸運地憑藉著鐳射冷卻和捕獲原子的方法，先於阿什金獲得了諾貝爾物理學獎，成為第五位獲得諾獎的華裔科學家。
一直到2018年，已經96歲高齡的阿什金，終於等來了他的諾貝爾獎。他發明的光鑷，也是目前最有希望參與活體細胞甚至是基因編輯的技術原理：
“”光鑷可以非接觸、無損傷地操縱活體物質，並且它產生的壓力適合於生物細胞、亞細胞以及原子物理的研究。”
結語
每當我們認為科學的發展已經到了瓶頸的時候，這些可愛的科學家們總會讓我們看到新的希望。未來可期！
