两次退学的他，如何摘得诺贝尔物理奖？中国光学
康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）因在二维材料石墨烯领域的开创性实验，与安德烈·海姆（Andre Geim）共同荣获2010年诺贝尔物理学奖，并开启了整个二维材料研究领域。
2010年诺贝尔物理学奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）。图源：Dyor, CC BY-SA 3.0 , 维基百科
年仅36岁即收获诺奖，他做的第一件事情，就是保持实验室日常作息不变，闭口不谈自己的诺奖工作，避免荣誉、讲座和行政将自己的科研湮没，据此，他得以源源不断的产出突出的学术成果。 在科研之外，他还是一个绘画艺术家，并多次举办自己的个展，他调侃自己画画也能谋生。他的学术生涯屡次突破常规，本科时因为创立建筑公司几欲辍学，两次从博士退学，第三次方取得学位。他笑谈自己做事从来不循规蹈矩，不征求传统的认同与别人的同意，他认为这也是他和Andre Geim教授敢于挑战传统认知，发现石墨烯的重要原因，因为进步就源于质疑所有人都默认的常识——这可能会带来失败，但也有可能打开别人从未想到的突破之门。
在本次eLight专访中，我们一同回顾石墨烯的发现始末，探讨二维材料发展的核心瓶颈与未来趋势，解析人工智能为材料发现带来的范式变革，同时聆听他对学术生涯和人生哲学的思考，以及对青年科研工作者的寄语。
一、主流研究之外的奇思妙想
Q1：2004年，您与安德烈·海姆教授通过机械剥离法成功分离出单层石墨烯，这一发现在当时震惊学界、具有划时代意义。能否为我们讲述这一突破背后的故事，以及早期实验中那些意料之外的观察结果？
诺沃肖洛夫：整个发现其实源于我们实验室标志性的“周五晚间实验”—— 这是安德烈海姆定下的传统，让我们可以探索主流研究方向之外的奇思妙想。当时安德烈觉得做石墨基晶体管会很有意思，而这需要制备出极薄的石墨薄膜。他买来当时价格不菲的石墨，交给一名博士生去打磨成薄片。忙活了一阵子，这名学生只磨出了石墨粉尘，所以我们暂时搁置了这个项目，觉得这条路走不通。
与此同时，我们实验室正在搭建一台扫描隧道显微镜（STM），而石墨是STM的标准校准样品。测量前，大家常用透明胶带粘取来获得新劈开的石墨表面。我摆弄胶带的时候突然想到，或许胶带就是制备薄层石墨的解决方案。一时兴起，我们试着用胶带剥离石墨，仅仅半小时，就做出了第一批薄层石墨器件，之后我们便顺着这个方向深入研究下去。这类偶然的突破，本质上都建立在持续的实验积累与对相关材料体系的不断探索之上。
二、分离出单层石墨烯
Q2：在您的工作发表之前，凝聚态物理界普遍认为，单层二维原子晶体无法在室温环境下独立和稳定的存在。您通过反复尝试将石墨逐步减薄至单层石墨烯。能否回忆一下，您是如何逐步、系统地验证石墨烯热力学稳定性的？
诺沃肖洛夫：从初步实验到真正得到单层石墨烯，我们花了将近一年时间。最初我们对石墨烯仅有一种共识：它本不该稳定存在。但在研究过程中，我们观测到的量子输运现象与静电栅控效应不断吸引我们深入探索，直到最终分离出真正的单层石墨烯。这种单层晶体能够稳定存在，本身就彻底颠覆了我们最初的认知。
最关键的证据来自编号为K50（单层石墨烯）和K51（双层石墨烯）的两个器件。这两个样品表现出截然不同的量子输运特征——电子行为存在本质差异。对于这种差异，唯一合理的物理解释，就是一个是单原子层，另一个是双原子层堆叠。我们很幸运同时得到了这两个样品，为我们提供了可直接对比的实验证据。即便如此，我们还是做了大量重复测量与对照实验，排除了样品污染、基底干扰等可能的假象，才最终确认单层石墨烯在常温环境下的稳定性。
三、新兴的二维材料
Q3：得益于您的奠基性工作，二维材料家族已极大拓展，远不止石墨烯与传统过渡金属二硫化物（TMDs）。在您看来，哪些新兴二维材料类别凭借其独特的光电特性，会成为未来光子学领域的主流研究方向？
诺沃肖洛夫：这个领域已经分化出无数细分方向。对于eLight这样聚焦光学与光子学的期刊而言，具有光学活性的二维半导体尤其值得关注，这其中包括发光范德华晶体（含二维铁磁材料）——它们都具备可调带隙与独特的光学参数；此外还有适用于波导与光子器件的各向异性材料等。
这类新材料的突出优势，是其极强的面内与面外各向异性，能实现传统体相半导体无法达到的光学响应。更具潜力的研究方向是人工范德华异质结：如果天然材料无法满足目标功能，你可以从零开始堆叠不同的原子层，定制设计出具备特定光电性能的人工材料。这种自下而上的异质结设计思路，在未来几十年内将持续催生变革性的光学器件。
四、AI与材料发现
Q4：近年来您一直倡导将人工智能（AI）融入材料发现与功能设计。AI将如何重塑、挑战传统的功能二维材料筛选与设计范式？
诺沃肖洛夫：目前我们还远未释放人工智能（AI）在材料科学中的全部潜力。传统的第一性原理计算很难预测动态、亚稳态的功能材料——这类材料的性能会在外场刺激下发生变化，其复杂行为长期以来被认为难以通过计算模拟，因此很少有团队尝试对其做理论建模。AI恰好可以填补这一空白，但它的实际落地远没有想象中简单。
早期人们对AI的预期过于乐观，以为通用大语言模型或是简单的指令式AI就能直接输出材料合成方案，但大量尝试后并未取得多少实质性进展。如今整个领域已经回归理性：我们必须打造面向物理材料体系的专用AI平台，而不能依赖通用的文本大模型。我们团队正在构建领域专属的人工智能框架，能够自主检索材料数据库、优化实验制备参数——这是通用AI做不到的。
全球已有很多团队在推进专用的材料AI平台，我始终持乐观态度：未来十年内，这项交叉工具将彻底革新我们的材料发现和设计流程。
五、转角电子学与莫尔超晶格
Q5：转角电子学与莫尔超晶格是二维材料的主流方向之一，其被广泛用于探索强关联量子态。目前阻碍该领域发展的核心基础难题与计算瓶颈是什么？
诺沃肖洛夫：莫尔超晶格能实现对电子能带结构的精准调控，可精细调节材料的输运与光学性能；我们甚至可以通过改变转角与堆叠顺序，调控电子能带的拓扑性质。当前最主要的障碍在于计算复杂度：复杂的莫尔超晶格往往包含数百甚至上千个原子，标准第一性原理方法的计算成本极高，几乎无法实现。
对于转角异质结中观测到的大部分实验现象，我们还只能做定性解释，定量的预测建模基本做不到。莫尔畴区内部细微的原子重构，会进一步提升计算难度。目前还没有一套通用的理论或计算框架，能可靠预测任意莫尔超晶格的量子性质——这一空白是转角电子学研究面临的巨大挑战。
六、基础研究与技术转化
Q6：您的课题组同时推进基础研究与产业技术转化，您如何平衡这两项工作的优先级？
诺沃肖洛夫：从根本上说，我们做科研是因为它能带来智识上的兴奋感，满足好奇心驱动的乐趣。产业项目并不是次要的“任务”——我们只参与那些能带来非常规、启发性研究视角，且符合我们核心兴趣的产业合作。
我们本可以拓展更多产业合作，但人的时间每天只有24小时，所以必须精心挑选真正能激发兴趣的项目。很多转化项目需要成立初创公司，这就要求学生和研究者具备创业能力，而这类人才并不容易招募。在我们课题组，基础研究始终是核心优先级，产业工作则作为补充性的探索方向选择性推进。
七、二维材料的商业化
Q7： 二维材料研究已发展数十年，您认为制约其产品大规模商业化的核心瓶颈是什么？如果要选出推动其大规模产业落地的三大“杀手级应用”，您会选哪些？
诺沃肖洛夫：商业化并没有什么重大技术壁垒，技术本身在按自身节奏稳步推进，每个月都有基于二维材料的新产品问世。最大的隐性障碍是全行业的认知断层：制造工程师与产业技术人员缺乏系统的知识储备，不知道如何将原子级厚度的范德华材料加工、集成并嵌入现有供应链与标准制造流程中。合成出高质量薄片只是第一步，如何无缝融入成熟的工业生产线，对制造商来说仍是一道陡峭的学习曲线。
在光子学与光电子领域，最具影响力的杀手级应用，首推基于二维材料的硅基光子调制器，这将是最具变革性的下一代产品。除光调制器之外，柔性光电子传感器与高性能储能电极，也将在中期成为大规模商用的主流方向。
八、给青年研究者的建议
Q8：对于有志于科研事业的青年研究者，您有什么建议？
诺沃肖洛夫：青年研究者首要的是追随自己真正的科研好奇心。如果你热爱化学，就去做化学；如果你喜欢物理，就深耕物理。你甚至可以选择创办光学或石墨烯相关的科技公司——这个领域仍有无限的原创探索空间，没有哪个研究方向是已经饱和的。不要因为资深学者或主流期刊追捧某个热点，就把自己局限在热门方向里。独立的、好奇心驱动的探索，是做出突破性原创工作最可靠的路径。
九、艺术与物理
Q9：众所周知，您在科研之外还始终保持着对绘画的热爱。您如何平衡艺术与物理这两项爱好？哪一项才是您内心深处真正的热情所在？
诺沃肖洛夫：我曾认真考虑过放弃科研，做一名全职艺术家。艺术创作极具吸引力，而且靠绘画我也能维持生计。但深思熟虑后我意识到，我始终会保有强烈的科研好奇心，最终还是会回到实验室。从情感层面来说，仅靠艺术无法让我获得完整的满足感；科学探索能满足我核心的智识需求，这是绘画无法替代的。艺术始终是一项重要的补充爱好，能拓宽我的思维边界，但物理才是我毕生的核心追求。
十、诺奖之后
Q10：您在36岁就获得了诺贝尔物理学奖。获奖之后，给您的学术与个人生活带来的最深刻的正向改变，以及最大的挑战分别是什么？
诺沃肖洛夫：非常幸运，在诺奖公布当天，就从我的导师、合作者也是挚友的Andre Geim教授那里得到了一条清醒且宝贵的建议：不要让奖项改变你的科研本色与日常节奏。我一直严格遵循这条建议。我在学术报告中从不提及诺贝尔奖，讲座里也只展示 2010 年之后的研究成果，从不讲帮我获奖的石墨烯发现工作。
获奖后的头五年，我刻意保持实验室的日常作息不变，避免偏离实验研究的重心。这个策略很有效，我很快回到了原本的科研节奏，保障了学术产出的连续性。最大的负面影响，是源源不断的公开演讲、媒体与行政事务，碎片化了科研时间。总的来说，最重要的经验是：要把奖项的荣誉象征和你正在进行的科研工作分开——外界的认可替代不了持续、亲身的实验探索。
十一、失败与突破
Q11：在您的科研生涯中，遇到过的最大的失败是什么？
诺沃肖洛夫：一路走来我遇到过不少挫折。本科的时候我开过一家建筑公司，差点因此退学。读博期间我退过两次学，第三次才最终读完。我属于那种想做什么就直接去做、不会先征求许可的人。或许正因为如此，当大多数人都认为独立存在的单层二维原子晶体不可能实现时，我依然愿意不惜代价去尝试。有时候，进步就源于质疑所有人都默认的常识——这可能会带来失败，但也有可能打开别人从未想到的突破之门。
十二、未来的研究计划
Q12：展望未来5-10年，您的研究蓝图是怎样的？
诺沃肖洛夫：科学进步从来不会按照刻板的预设蓝图推进。我们会设定适度进取的长期核心目标——未来十年我们的主要方向是研究亚稳态功能范德华材料。但我们始终希望，既定目标会被沿途更有趣的、计划外的实验发现所打破。实验室里那些意外出现的新现象，总会不断调整我们的研究轨迹，而这些偶然的“弯路”往往能带来最具变革性的成果。我们保持项目结构的灵活性，一旦实验中发现令人惊喜的新物理现象，可以快速调整研究方向。
