21岁博士生曹原:世界顶级科学家纷纷为他打Call

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  2018年3月5日,一个重磅消息传来,让全世界学者都望尘莫及的《自然》杂志,竟然连续刊登两篇中国留学生曹原写的“石墨烯超导”论文。
  令人震惊的是,这个满脸稚气的21岁博士生,破解了困扰物理学界107年的世界难题,将引发全球新材料革命!
  而被网友誉为“科学大神”的他,在枯燥的学术研究之外,还是个很懂生活情调的人。他到底“传奇”在哪里呢?

智商超群,他是中科大“传说级的人物”


  曹原1996年出生于四川成都一个知识分子家庭,3岁随父母迁入深圳。他从小就是大人口中“别人家的孩子”:小学时,往往老师刚说出题目,余音未消,他就喊出了答案。

  自小受益于“超常教育”的他智商很高,小学毕业后,曹原仅用2年时间就读完了初中和高中的全部课程。2010年,14岁的他以高考理科669分的成绩,考入声名赫赫的中国科学技术大学少年班学院,并入选“严济慈物理英才班”。
  中科大少年班竞争激烈,曹原在其中却如鱼得水。可曹原并不觉得自己比同龄人聪明多少,他爱读科技类课外书,《科学探索者》前前后后翻了好几遍,为现在的知识面打下了很好的基础。曹原说他现在的动手能力,也得益于小时候经常在家捣鼓电子电路和化学实验。
  曹原对化学和物理非常感兴趣。做化学实验所需的硝酸银很贵,也很难买到,他就买来硝酸,把妈妈的银镯子放进去,人工“合成”了硝酸银。高中学业十分繁忙,他放学回家已经很晚了,仍然要花1个多小时时间捣鼓各种化学试剂。
  有校友说,经常在各大教授的办公室,看到胸前掛着钥匙的曹原一脸认真地请教问题。最有趣的是,中科大教计算物理课的丁泽军教授,因教学严谨、苛刻,被许多学生称为“丁老怪”。但丁教授却对曹原赞赏有加,说曹原是“很聪明的家伙”:教授只要把题目交给他,他一定会想办法做出来。如果计算遇到困难,他会主动尝试其他方法。以至于丁教授每年上计算机物理课绪论时,都会提到曹原。
  与常见的只顾埋头读书、做实验的书呆子不同,曹原不仅性格活泼开朗,而且爱好广泛,喜欢文学、运动、计算机,朋友圈经常发天文观测的照片。虽然才气过人,但曹原却非常低调沉稳,情商很高,在班里颇有人缘,尤其是一些女生,非常崇拜他,甚至主动约他看电影。有意思的是,曹原却不为所动,理由是自己一事无成,暂时不考虑交女朋友。
  2012年,曹原被选为首批交流生赴密歇根大学学习;次年6月,他又被牛津大学选中,受邀做两个月的科研实践。2014年,18岁的曹原荣获中科大本科生最高荣誉奖——郭沫若奖学金。
  2016年,曹原在进行物理学课题研究时,在美国物理学会主办的高水平学术期刊PRL上发表了一篇理论文章。这篇只一个寒假就完成的论文,在业内深获好评。很快,这个大男孩在中科大成了“传说级的人物”。

石破天惊,发现石墨烯“超导”奥秘


  2016年从中科大毕业后,曹原在牛津大学实践时的导师陈宇林教授,推荐他前往美国麻省理工学院MIT电气工程与计算机科学系,攻读博士学位,师从著名物理学家Pablo Jarillo-Herrero。
  在美国,曹原开始重点研究关于石墨烯材料“超导电性”的尖端课题。
  具有超导电性的材料有很强的应用价值,因为,一般材料在导电过程中会消耗大量能量。以传输电缆为例,从发电站到用户的传送过程中,消耗损失的能量越小,经济效益越大。超导体的出现,使传输过程中的能量损耗几乎为零。
  可是,超导体要在接近绝对零度(-273℃)的环境下,才能显现其近乎0损耗输电的能力,而这其中的材料,冷却成本却高得让人绝望。可是,合适的“低成本超导材料”材料极难找,30多年来,全世界的科学家都对之一筹莫展。虽然铜氧化物一直是物理学家关注的焦点,但其结构往往难以调整,所以,很难实现超导。

  后来,曹原师徒产生了一个大胆的想法:用石墨烯代替铜氧化物实现超导!曹原解释说,石墨烯不仅结构非常稳定,而且导电性能更强大,其电子运行速度能远远超过电子在一般导体中的运动速度。因此,有望利用石墨烯制造下一代超高频电子器件,未来计算机处理器的运行速度可以比现在高几十倍,甚至上百倍。
  这项特性,也决定了石墨烯跟电池是天生绝配,在电能储存领域,石墨烯是耀眼的“明星”。2016年的一场交易博览会上,一款石墨烯充电宝吸引不少人眼球,只需10分钟就可充满6000mAh的电量。“我们可以大胆设想,未来有一天,电动汽车广泛使用石墨烯电池,只需几分钟就能把电充满,比去加油站加油还方便!”
  以前人们知道银是最好的导热材料,现在研究发现,石墨烯才是导热界的“扛把子”,它的导热效能是银的10倍。优异的导热性可以满足LED照明、计算机、卫星电路、手持终端等大功率高集成系统的散热需求。
  最有趣的是,石墨烯还是自然界中最为坚硬的物质,其硬度超过金刚石。“它的断裂强度比最好的钢材还要高200倍。这么坚硬的物质,却是超薄超轻、近乎透明的,厚度相当于一张A4纸的十万分之一。而且,这么薄的材料,致密性却很高,最小的气体原子也无法穿透。”
  因为石墨烯有各种奇特的性质,使其成为当前科技界的爆款“网红”,但令科学家们头疼的是,唯独其“超导性”成了世界级难题,迟迟无法攻破。   令人惊讶的是,经过1年多的潜心研究,曹原团队发现了一个“天大的秘密”:通过将两层自然状态下的二维石墨烯材料相堆叠,并控制两层间的扭曲角度,即可构建成为性能出色的零电阻超导体。可以说,这是一个石破天惊的发现!
  室温超导体无疑给未来发展带来了新的憧憬。毫不夸张地说,这项研究打开了非常规超导体研究的大门,或将引发一场超导材料领域的新革命……

连刊两文,“科学大神”也懂生活情调


  2018年3月5日,国际顶尖期刊《自然》以长文形式,在网站刊登了麻省理工学院Jarillo-Herrero教授课题组石墨烯超导的重大发现。此外,网站还专门配上了宾夕法尼亚大学教授Eugene J.Mele,对这一重大突破的评述。
  令人震惊的是,这两篇重磅论文的第一作者都是21岁的大三博士生曹原。他也有幸成为在《自然》上以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。能在该杂志上发论文到底有多厉害?原来,《自然》与《科学》、《细胞》并称世界三大顶级科学期刊。能够在三大期刊上发文,是无数科学家孜孜以求的目标,也是评选诺贝尔奖、竞选院士、展示大学和科研机构研究实力的重要依据。
  不过,单是《自然》高达90%的毙稿率,就足以让人望而生畏。从全球范围内来看,有能力在三大期刊发表文章的,要么是世界顶级实验室,要么是世界顶级团队,要么两者兼具。曹原知道,这些顶级队伍的专家教授,一边争分夺秒地做实验,一边密切盯着竞争对手的动向,打开电脑第一件事就是,看三大期刊发表了哪些相关领域的论文,如果没有新的,就可以松口气,如果别人发表出来相关成果,自己的研究差不多就前功尽弃了。
  作为我国结构生物学领军人物的施一公,第一次在《自然》上发表论文是在1999年,当时他32岁;被称为我国“量子之父”的潘建伟院士,27岁在《自然》上发表了第一篇论文;曹原在21岁的年纪,就作为第一作者,一次性发表了两篇,堪称“神之操作”。而且,《自然》等不及排版就先行在网站上刊出,并配以第三篇文章做评述,可见其对这两篇论文的重视程度之高。
  曹原关于石墨烯超导电性的研究成果发表后,震惊了整个物理学界,不少业界专家都自发为曹原打Call。斯坦福大学物理学家、诺贝尔奖获得者Robert Laughlin说:“其研究成果很可能成为改变全世界的一个重大课题。我们可以期待在接下来的几个月里,会有疯狂的实验活动来填补蓝图中缺失的部分。”
  此时距离科学家发现超导体,已过去足足107年,世界终于迎来了这个领域的重大突破,曹原团队的发现,无疑将引发全球新材料革命。很快,脸上带着稚气的曹原,拥有了百万名粉丝,被网友誉为“科学大神”。
  有趣的是,在枯燥的學术研究之外,曹原还是个很懂生活情调的人。闲暇时,他喜欢和朋友一起四处旅行。欧洲著名的阿尔卑斯山脉脚下,有美丽的牧场和森林,他曾在那里穿着短裤、光着脚撒欢。
  他特别欣赏奥地利大师表演的魔术,有时为了看一场表演,甚至会直接飞到维也纳。与简单的“变戏法”不同,欧洲魔术师非常注重艺术效果,会用奇思妙想的创意、行云流水的表演,运用高科技AR技术,将观众卷入一场奇幻之旅。曹原说,魔术所有的“不可思议”都是用科学原理支撑的,因而魔术师在物理、化学、生物、光线等方面都需要有所积累,这样创作出的作品,才会令人耳目一新!
  有朋友开玩笑说,曹原成了一名“科学大神”,世界上却少了一位“超级厨神”。原来,从小就嘴馋的他,不仅热爱美食,还有很强的动手能力,高兴时他会到超市采购各种食材,亲自下厨,鼓捣出清蒸鱼、烧茄子、爆炒肚片等一桌子色香味俱全的菜肴,让同事们大饱口福!当然,其间还少不了他向这些外国科学家介绍中国传统的饮食文化。如果他有一段时间没有“请客”,那些在实验室里向来很严肃的同事,会调皮地问他:“曹,你什么时候请我们吃中国菜?你索性练练厨艺,也让我们放松一下!”接着,大家就会笑成一团……
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