材料科学中的美学研究

材料学是研究材料的合成、性质及其应用的学科，是一门理论与实验相结合的科学。在理论的发展与实验的推进中，随处可见美的身影。

材料的发展需求源于生活，并被不断地应用于生活。日常生活中材料的应用随处可见，从东区图书馆大厅里花纹各异的玻璃，到物质科研楼外层整齐划一的镂空外墙，材料展现出各种形态，或整齐或交错，给人们以视觉上的享受。

审美因素在材料科学中占重要作用：科学家们天马行空的想象有利于材料结构的构建。想象和直觉有助于材料研究过程中的不断迭代，臻美推理过程能在不断否定的过程接近真理。科学技术使人们得以从微观尺度上认识材料，通过显微镜观察，其微观结构往往呈现出奇妙的阴柔之美。下面从创造过程四阶段剖析安德烈·海姆发现石墨烯的过程，并从想象和直觉、臻美推理过程、阴柔之美三个方面进行审美分析。

创造过程四阶段

1.石墨烯的发现过程

英国心理学家沃勒斯于1926年提出创造四阶段学说：无论是在何种领域，任何创造过程都会经历准备、孕育、豁朗和验证四个时期。

石墨烯是只有一个碳原子厚度的二维材料，微观下呈现出六角型呈蜂巢结构。自其被发现以来，一直被广泛应用于科研和日常生活中，是极重要的材料之一^[^1]。

按创造过程学说，石墨烯的发现过程大体上可分为四阶段。

(1)准备阶段

安德烈·海姆是一名物理学家，就职于英国曼彻斯特大学。他主要的研究工作是低维系统，具备丰富的低维系统知识，并热衷于科研，他十分看好低维材料的发展前景^[^2]。

(2)孕育阶段

在那时，安德烈·海姆周围有不少学者在研究碳纳米管，他不愿跟风研究，他思索到：如果将纳米管剖开后会怎么样，这样的材料会不会具备特殊的性质。他带着这一想法进行实验，并尝试用抛光将石墨尽可能地减薄。

他将制备石墨薄膜的任务交给了一名博士生，并要求博士生制备出尽可能薄的石墨薄膜。于是博士生用抛光机开始研磨工作，数周后博士生声称成功了，并带着一个有石墨的小斑点培养皿给安德烈·海姆看。但是，经显微镜观察，石墨碎片却约10微米厚、约1000层左右，并不是单层石墨片。安德烈·海姆尝试了很多方法，但都没能制得单层石墨，因此，他的实验也就进入了思索期。

(3)豁然阶段

一天，安德烈·海姆在思索时，想起这样一幕：为保持石墨的洁净，博士生会用胶带粘石墨表面以带去多余的物质。他灵光闪现——若用胶带粘石墨是否能得到单层石墨呢？于是他立马进行实验，首先他取一小块石墨，用胶带在石墨上反复粘贴，每粘贴一次，都会在胶带上得到薄薄的一层黑色石墨。经过数次操作后，胶带上面粘着一层黑色的物质，十分整齐。

(4)验证阶段

尽管后来证实安德烈·海姆用胶带制取到极薄的石墨片含10层左右，而非单层，但仍然具有重大意义。安德烈·海姆用实验制取的石墨片制成了具有栅控特性的电子器件，并于2004年10月将成果发表于Science期刊上。后来，经过一系列的改良和精进，他得到了更薄的石墨片——石墨烯，石墨烯良好的导电性、重量极轻、厚度极薄。文章一经发表，立刻吸引了诸多学者的目光^[^3]。后来，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫合作，进行了多项石墨烯开创性实验，并因此获得2010年诺贝尔物理学奖。

直到现在，石墨烯还广泛应用于太阳能电池、纳米材料、海水淡化等行业，深刻地影响着人们的生活^[^4]。

与审美的联系

(1)想象与直觉

科学家普利斯特利曾说：“凡是能自由想象并把互不相干的各种观点结合起来的人，就是最勇敢、最有创造性的实验者”。伏尔泰提出的想象“组合作用”是创造性想象的本质特征。安德烈·海姆虽然没有进行纳米管的研究，但他却认为纳米管的应用前景十分良好，他想到单层石墨就如同生活中的薄纸那样，可能会具有良好的特性，因此，他在进行实验时，才会灵光一现，迸发出“将纳米管切开”的想法。他将纳米管和纸张等事物组合了起来，这对于他的成功至关重要。他在脑海里想象纳米管切开后单层材料的形态，并在脑海中一遍又一遍的设想这种材料的结构和性质，他的直觉告诉他，这种单层的材料定会有良好的物理性质，他的直觉指引着他科研前进。

安德烈·海姆的实践活动与直觉紧密联系，这一创造性行为很大程度上是瞬间的，没有伴随着传统的完整逻辑过程，正是肯定型直觉的一种体现。安德烈·海姆这种模型阶段的肯定型直觉带有鲜明的美感，伴随着想象力的作用，在创造新型的材料过程中，这种肯定型直觉与美感相伴而现。

(2)臻美推理

臻美推理运动是指：首先出现一个组合方案，然后被否决；接着出现第二个组合方案，又被否决；重复这个过程，将组合向前推进，在一系列的否定型直觉后，或许会出现一个肯定型直觉，而这肯定型直觉极有可能是我们需要和寻求的东西^[^4]。单层石墨烯的发现过程则很好地体现了臻美推理。一开始时，安德烈·海姆是用抛光机进行石墨薄膜研磨，而后发现用抛光机得到的石墨层太厚，无法满足所需，然后他放弃使用抛光机，每当一种方式行不通时，他都会陷入思考过程，就如同“沉寂孕育时刻”。经过数次不断的“实验——否定——实验”循环过程后，他终于找到了利用胶带粘贴的方法，用这种方法可以获得只有数十层薄的石墨片，已经具备了良好的物理特性了，他将这制得的数十层薄的石墨片进行理化性质的研究，得到了许多良好的实验结果，证实了其具备优良的性质，具有良好的使用前景。这种实验、沉寂思索不断交替的过程，正是臻美推理过程的体现，在一步一步地接近真理，取得成功。

(3)阴柔之美

对称美不是宏观世界独有的，微观世界的对称有时更具独特的美感。单层石墨烯微观形态如图1所示。单层石墨烯十分之薄，厚度与一个原子相当，蜂窝状般整齐而又有序的石墨烯极具对称美感，其线条分明，也体现了简洁美。

图1　石墨烯微观图

石墨烯的发现是科学史的一部分。从科学史的角度，本人见解如下：

材料的发展伴随着生产力的发展，纵观材料发展史，大致可分为五个阶段：纯天然材料、用火锻造材料、物理和化学法合成材料、复合材料、智能材料。在材料的螺旋向上的发展过程中，也体现着臻美推理运动和材料的美感。

衣服的材料就是很好的一个例子。据考证，树叶和毛皮是人类最早采用的衣物材料，随着人们的耕作，慢慢地开始将棉、麻、丝作为衣服材料。工业革命时期，纺织品开始转为机械化生产，人们开始探索各式各样的人造材料。二十世纪，人们相继合成出粘胶短纤维、尼龙纤维、腈纶、聚酯纤维等各种材料，每种材料各具特点。从臻美推理运动看服饰材料的发展过程：每个新阶段都是对前一种组合方案的否定，重复这个过程，材料得以迈向轻便舒适等“真理”。服饰材料的发展也体现着对称美和简洁美，如图2所示。另外，在每一种（类）材料发现以后，材料的发展都会陷入一个“沉寂孕育时期”，正如同创造过程四阶段中的孕育阶段，在经过一定时期的积蓄后，进入豁朗阶段，新材料得以发现并应用于社会生活的各方各面。