2010年，两位来自英国曼彻斯特大学的俄罗斯移民物理学家因研究一种新的“神奇材料”——石墨烯，共同获得诺贝尔物理学奖。科斯佳·诺沃肖洛夫和安德烈·海姆通过使用普通的老式黏胶带做实验，发现了这种只有一个原子厚的碳平面薄片。
石墨烯导电性极强、透明，也是科学界已知最坚固的材料，并且有朝一日可能彻底改变电子学。诺沃肖洛夫教授向我们介绍了这种二维材料的潜力，以及它如何改变这一行业。以下为经过编辑的访谈文字稿。
石墨烯对计算的未来意味着什么？
可以肯定的是，至少在未来五到十年内，晶体管——构成现代计算机基础的半导体器件——仍将使用硅 —— 。但人们已经开始考虑可能的替代材料和技术，以便在硅无法满足日益缩小的晶体管需求时取而代之。石墨烯晶体管是替代方案之一。我也在研究石墨烯之后不久获得的其他单原子厚二维材料，以及基于这些二维晶体的异质结构。它们有望成为硅技术的替代方案，但这里谈的是全新的架构，而不只是把一种新材料引入系统。很难预测它将如何发展，因为在工艺中引入一种新材料已经是相当复杂的一步；如果要改变整个架构，则需要多年研究。因此，如果我们希望在10年后实现这样的成果，现在就应该开始研究。
你认为未来的计算机可能是什么样子？
计算机远不止显示屏、界面和软件：它们主要关乎计算能力和微处理器——也称中央处理器（CPU），即计算机的“大脑”。未来，我们可能会扩展并行计算，采用核心数量更多的微处理器，让多个CPU在同一芯片上协同工作，使计算机能够执行更多任务，整体系统性能也大幅提升。同时，专用计算机将逐渐出现，因为成本将不再高得令人望而却步。
你认为未来我们还会把计算机视为彼此独立的实体吗？
微处理器仍会存在，你无法摆脱它们。计算可以并行到什么程度，以及有多少计算机将连接成一个大型网络或云，这是另一个问题。随着电信技术发展、速度不断提高，将许多计算机连接成大型网络也容易得多。这肯定是我们会越来越常见到的情况。现在已经如此：我们的许多数据并不存储在桌面电脑上，而是存储在云端；云计算也将越来越普及。但其基础仍将是微处理器、电子技术和当前架构。
石墨烯还可以用于什么？
石墨烯是一种非常坚固且导电性很强的材料，因此人们尝试将其用于复合材料，例如作为机械增强材料，或提高导电性。一个特别有趣的应用领域是生物技术、生命科学和医学：石墨烯可以用作传感器，因为许多特性彼此关联，会改变周围的化学环境，并立即产生电子信号。我特别感兴趣的一个方向是将石墨烯用作二维膜。借助石墨烯，我们获得了尽可能薄的薄膜，同时它对任何分子都完全不透。在原理上，我们可以对它进行设计，使其允许某些分子通过，并将其用作生物膜。
石墨烯还要多久才能真正进入工业领域并实现商业应用？
它将逐步进入我们的日常生活。碳纤维就是一个很好的例子。就在几年前，我们才开始看到采用碳纤维的飞机。但20年前，碳纤维主要用于跑车和一些运动器材的机械增强。因此，这从来不是突如其来的变化，而是一个渐进的引入过程：先进入利基市场，再逐步用于规模越来越大的应用。这正是我们已经在石墨烯身上看到的情况——一些触控电源应用、导热应用、机械增强、导电涂料等等；这些产品的种类将逐年增加。在这个过程中，我们会越来越了解这种材料及其生产方式，从而降低生产成本、提高质量。不久之后，它就会成为一种相当普遍的材料。
石墨烯能否带来全新的技术，带来一些我们现在只能梦想的东西？
我从事的研究领域之一是“按需定制材料”。我们拥有一个由不同二维材料构成的材料库——这些晶体只有一个原子厚。它们的性质各不相同：有些是金属，有些是绝缘体，有些是半导体；有些透明，有些不透明，等等。这个材料库有助于设计新的三维材料：只需将二维薄片一层层叠起来——不是按照大自然原本的安排，而是把不同材料组合成不同的堆叠结构，并在构建这一结构时将功能编码其中。我称之为“按需定制材料”，因为根据应用场景和目标，你可以按照自己的需要设计这种堆叠结构。我们以前从未有过这样的机会——通常我们只能受限于一种材料，而现在我们可以从零开始设计新的多功能材料。
这项进展以及材料科学领域的其他最新突破将如何改变这一行业？
我们将把功能性从结构层面带到材料层面。也就是说，我们不再说拿硅重新构造成晶体管以实现某些功能，而是说：“告诉我们需要具备哪些功能，我们就会设计出具有这些功能的材料。”这是一个全新的范式：我们正把功能性从结构层面带到材料层面。总体而言，我们希望得到多功能材料——也就是说，在几层原子的范围内，我们就能编码逻辑电路、电源单元等。这样就能得到一种柔性、透明或半透明的多功能材料，其结构中编码了各种功能。
世界经济论坛记者卡蒂娅·莫斯克维奇采访。
作者：科斯佳·诺沃肖洛夫是曼彻斯特大学物理学教授。他将参加达沃斯2015年的科学议程。
科斯佳·诺沃肖洛夫将出席我们在达沃斯举行的2015年年会，并担任以下会议的讨论嘉宾： 《超越摩尔定律》，2015年1月23日15:00（中欧时间） 以及 《全球科学展望》，1月24日9:15（中欧时间）。
图片：2010年12月10日，俄罗斯的康斯坦丁·诺沃肖洛夫（左）在斯德哥尔摩音乐厅举行的2010年诺贝尔奖颁奖典礼上，从瑞典国王卡尔十六世·古斯塔夫手中接过诺贝尔物理学奖。路透社/克劳迪奥·布雷斯恰尼/Pool。
