SA論壇 是來自科學和技術領域專家的特邀文章，討論當前熱點問題。
編者按：本週，來自商業、政治和科學界的領導人齊聚瑞士達沃斯世界經濟論壇會議，討論當今緊迫的問題，《大眾科學》與論壇合作，發表了一系列對頂尖科學家的採訪。這是卡蒂亞·莫斯科維奇為世界經濟論壇進行的四次採訪中的第三次。
2010年，英國曼徹斯特大學的兩位物理學家因對一種新型神奇材料：石墨烯（一種只有一層原子厚的碳薄片）的研究而分享了諾貝爾物理學獎。康斯坦丁·諾沃肖洛夫和安德烈·蓋姆，兩位都是俄羅斯移民，他們透過在簡單的石墨上使用普通的透明膠帶發現了這種材料。
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石墨烯具有高導電性和透明性，也是科學已知的最堅固的材料。有一天，它可能會徹底改變電子行業。諾沃肖洛夫向我們介紹了這種二維材料的可能性以及它如何改變該行業。
[以下是採訪的編輯稿。]
石墨烯對未來的計算意味著什麼？
可以肯定的是，矽將在至少未來五到十年內用於電晶體——構成現代計算機基礎的半導體器件。但是，當矽無法滿足越來越小型的電晶體的需求時，人們已經在考慮替代材料和技術來取代矽。石墨烯電晶體是替代方案之一。
我還正在研究石墨烯之後很快獲得的其他單原子厚度的二維材料以及基於這些二維晶體的異質結構。它們有可能替代矽技術，但我們這裡討論的是全新的架構，而不僅僅是在系統中引入一種新材料。很難預測它將如何發展，因為當您在工藝中引入一種新材料時，它已經是一個相當複雜的步驟，如果您想改變整個架構，則需要多年的研究。這就是為什麼如果我們想在 10 年內實現類似的目標，就應該現在開始研究。
您認為未來的計算機會是什麼樣子？
計算機不僅僅是顯示器、介面和軟體：它們主要關乎計算能力和微處理器，也稱為中央處理單元 [CPU]，或計算機的“大腦”。未來，我們可能會擴充套件平行計算，利用具有更多核心的微處理器，屆時多個 CPU 將在同一晶片上協同工作，使計算機能夠執行更多工，並獲得更高的整體系統效能。與此同時，更多專用計算機將開始出現，因為成本不再那麼高昂。
您認為未來我們還會以稱為計算機的獨立實體來思考嗎？
微處理器仍然會存在。你不會擺脫它們。計算可以有多並行，以及有多少計算機將連線到一個大型網路（雲）中，這是一個不同的問題。隨著電信技術的進步，速度越來越快，將許多計算機連線到一個大型網路中要容易得多。這絕對是我們將會看到越來越多的情況。我們現在已經看到了，我們的大量資料儲存在雲端而不是我們的桌面上——而云計算將越來越受歡迎。但基礎仍然是微處理器、電子器件和當前的架構。
石墨烯還可以用於什麼？
它是一種非常堅固的材料，也具有高導電性，因此人們嘗試將其用於複合材料應用，作為機械增強劑或增強導電性。一個特別有趣的應用是在生物技術、生命科學和醫學領域，您可以使用石墨烯作為感測器，因為許多特性是相互關聯的；改變化學環境，您會立即從中獲得電子訊號。我非常感興趣的是將石墨烯用作二維膜。有了石墨烯，我們得到了最薄的織物，同時它對任何分子都是完全不透過的。原則上，我們可以將其設計為可滲透某些分子，並將其用作生物膜。
石墨烯真正進入工業和商業應用還需要多久？
它將逐步融入我們的日常生活中。一個很好的例子是碳纖維。直到幾年前，我們才開始看到使用碳纖維的飛機。但在 20 年前，碳纖維主要用於跑車和一些體育器材中的機械增強。因此，這從來都不是一個突然的變化，而是一個逐步引入的過程，首先從利基市場開始，然後進入越來越大規模的應用。這正是我們已經在石墨烯中看到的——一些觸控電源應用、導熱應用、機械增強、導電塗料等等——這些產品的範圍將逐年增加。當我們這樣做時，我們將越來越多地瞭解該材料和生產，從而降低生產成本並提高質量。不久之後，它將成為一種非常普遍的材料。
石墨烯能否帶來全新的技術，一些我們現在只能夢想的技術？
我工作的一個領域是“按需材料”。我們擁有一個由不同二維材料組成的庫——只有一層原子厚的晶體。它們都具有非常不同的特性：有些是金屬的，有些是絕緣的，有些是半導體，有些是透明的，有些是不透明的等等。這個庫可以幫助設計新的 3D 材料，只需將二維薄片逐層放置——而不是像大自然所預期的那樣，而是將不同的材料組合成不同的堆疊，並透過這種方式在我們構建這個堆疊時對功能進行編碼。我稱之為“按需材料”，因為根據您的應用和您想要實現的目標，您可以根據自己的需求設計這個堆疊。我們以前從未有過這樣的機會——我們通常只侷限於一種材料——但在這裡我們可以從頭開始設計新的多功能材料。
材料科學的這項和其他最新突破將如何改變該行業？
我們將把功能從結構層面提升到材料層面。因此，我們現在不再說我們取矽並將其重組為電晶體以執行某些功能，而是說：“告訴我們應該有什麼功能，我們將設計一種具有這些功能的材料。”這是一個全新的正規化。總的來說，希望它是一種多功能材料——因此在幾層原子的範圍內，我們將能夠對邏輯電路、電源單元等進行編碼。您將擁有一個靈活、透明或半透明的多功能材料，其功能已編碼到其結構中。
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