人物 | 碳学之母的传奇故事

■●■

在硅催生硅谷之前，这种性能温和的元素必须战胜其他许多竞争者，以证明自己是领先的半导体技术。在20世纪50至60年代，硅做到了这一点。如今，碳也处在了一个相似的十字路口，以碳为基础的技术即将改变计算领域，并提升电池存储容量。目前，研究人员已经利用这些技术制造出了像纸一样薄的电池、牢不可破的触摸屏以及太比特级速率的高速无线通信设备。而在更远的未来，他们设想，这种神奇的碳技术或许还可以制造出太空电梯、使海水变成饮用水的过滤器、仿生器官以及可移植的神经元。

无论将来“碳谷”会出现何种奇迹，那里的碳科技巨头们一定都会深情地回想起这个领域的创始人米尔德里德•德雷斯尔豪斯（Mildred Dresselhaus）。她是麻省理工学院物理学和工程学的教授，自20世纪60年代初，她就一直在为纳米级碳纸、碳素晶格、碳素丝和碳开关的发展奠定基础。未来的工程师会将这些由石墨烯等碳基材料制成的部件组合成系统，带领计算行业步入下一个时代。

现在，经过了半个世纪默默无闻的工作，她开始收获荣誉了。2015年11月，在白宫举行的一个仪式上，她被奥巴马授予了总统自由勋章，这是美国政府给予其公民的最高荣誉。奥巴马总统说：“她的影响就在我们身边，在我们驾驶的汽车里，在我们生产的能源中，在丰富我们生活的电子设备中。”

2015年6月，德雷斯尔豪斯将被授予IEEE最高荣誉——IEEE荣誉奖章，以表彰她“在科学和工程的许多领域中的领导力和贡献”。她是该奖项近百年历史中第一位女性获奖者。（在IEEE成立之前，荣誉奖章是由美国无线电工程师学会颁发的，该学会于1963年与美国电气工程师学会合并组建了IEEE。） 

■●■

德雷斯尔豪斯已为急于探索碳计算之谜的研究人员开辟了一条道路，而对于她自己来说，在84年人生中，大部分时间，她的道路并不是那么明朗。当时的世界很难接受一个有远见的工程研究人员同时也是一个贴心周到的导师和四个孩子的母亲（现在是五个孩子的祖母或外祖母）。

她是贫困的东欧流亡者的女儿，大萧条和二战时期的纽约市学校及大熔炉文化的产物。德雷斯尔豪斯原姓斯派瓦克（Spiewak），在她还是个孩子时，她想象自己唯一能够担任的职业就是学校的教师了。而鉴于她所处的时代和地区，即使是这个职业也有些遥不可及：她的邻居和布朗克斯小学里的孩子大多对学业不感兴趣。但是，一个神秘的力量很快介入了，那就是音乐。

德雷斯尔豪斯父亲的祖籍是波兰的贾沃希采，她的祖父和曾祖父都曾担任村里的领唱。所以，她的哥哥欧文（Irving）自4岁开始就在演奏小提琴方面表现出众，这种天赋并不完全出人意料。他们的父母在纽约市著名的格林威治音乐学校（Greenwich House music school）为他成功申请到了奖学金。德雷斯尔豪斯四五岁时也开始在这所学校里学习音乐。虽然她在13岁时停止了在格林威治音乐学校的学习，但她从来没有放弃心爱的小提琴。德雷斯尔豪斯现在仍然坚持每天演奏。她说：“我有哥哥留给我的小提琴，我继承了他留下的所有东西。”

而正是音乐让她接触到了格林威治学校里更有雄心壮志的同龄人。“很明显，教育是十分重要的。”她说，她在1934年或1935年来到学校后不久就意识到了这一点，“这正是我在音乐学校中所学到的这一生中最重要的事。”

她本来可能会在几年后再次跟随哥哥的脚步，进入带有传奇色彩的布朗克斯科学高中学习，但在那个时候，布朗克斯科学高中还是一所男校。于是，她将目光转向了纽约市的预备女校亨特学院高中。在她准备入学考试期间，她欣喜地发现，数学对她来说非常容易。她说：“在准备亨特高中的入学考试的学习中，通过自学和自我激励，我的兴趣被激发了出来。”

在亨特高中，她的数学和科学成绩突出。在德雷斯尔豪斯高年级的年终评语中有一首诗展示了对她能力的赞扬：“任何公式她都能解出/每个问题她都有答案/德雷斯尔豪斯就是智慧和乐趣的化身/在数学和科学中她无人能及。”后来她继续在亨特学院深造，在那里的第二学年，另一个重要的力量进入了她的生活。

在谈到她在亨特学院最钟爱的课程时，德雷斯尔豪斯说：“罗莎琳•雅洛（Rosalyn Yalow）的（物理）课程让我更专注于科学领域。”这门课程是由一名医学物理学家教授的，后来这位老师很快就离开学校开始自己的研究生涯，并最终获得了1977年的诺贝尔生理学或医学奖。“这就是我真正的开始。罗莎琳坚持让我去读研。她是那种习惯告诉你要做什么的人。”德雷斯尔豪斯说。

有了雅洛热情洋溢的推荐信，德雷斯尔豪斯在1951年被拉德克利夫学院研究生院录取了。她推迟了入校时间，以便能通过富布赖特奖学金入学。

德雷斯尔豪斯说：“拉德克利夫没有（科学类）课程。我要在哈佛上这些课程，但要回拉德克利夫考试。女性不能和男性一起考试。我不得不自己一个人在另一个房间考试。这非常复杂，而且让人很不舒服。”

在哈佛的第一年，德雷斯尔豪斯意识到，她开始厌倦这所大学，并且有点不安于现状了。她发现，全国学习物理最好的地方是芝加哥大学，即曼哈顿计划的老将、诺贝尔奖得主恩里科•费米（Enrico Fermi）的研究中心所在地。因此，1953年，德雷斯尔豪斯在拉德克利夫获得了硕士学位后，就到了伊利诺伊州。 

■●■

在芝加哥大学，德雷斯尔豪斯也往往是课堂上唯一的女性，但学习环境没有那么沉闷。她说，正是在芝加哥大学，得益于费米本人的指导，她才第一次真正学会像一个物理学家一样思考。当时费米不仅由于他在曼哈顿计划中的作用而闻名，他还是规模较小的物理系的带头人。在德雷斯尔豪斯1953年进入的班级里，只有11名学习物理的学生。

费米是个习惯早起的人，德雷斯尔豪斯也是，他们每天从家到校园的路线是相同的。于是，德雷斯尔豪斯和其他的学生、教师以及助手都会计算他们早上去学校的交通时间，以便能够与这名传奇物理学家同行。

德雷斯尔豪斯说：“费米是个有条理的人；他每天总是做同样的事情。”例如，在早晨步行时，费米就会谈论他脑子里想的问题——有时是与当天的课程有关的，有时是无关的。而当费米授课时，他会首先给班里的学生发放他笔记的复印件。“他不希望学生（在他讲课时）记笔记。他希望大家认真听讲。他更愿意把笔记发给你。这些授课（笔记）的页数并不多，非常简洁。”

■●■

1954年是德雷斯尔豪斯在芝加哥的第二年，那年的11月费米去世了。但在他们短暂的交集里，费米对这个年轻女人产生了巨大的影响。她说：“他使我开启了‘对周围的一切都感兴趣’的思维模式，因为我们永远也不知道下一个大的科学突破会发生在哪里。”

在1955年的秋天，德雷斯尔豪斯开始了她的博士研究课题，研究磁场中超导体的微波特性。她的研究涉及低温固态物理学、电气工程和材料科学，其新颖度和混合性意味着她无法轻易获得她所需的研究材料。

不过，她在大学的足球看台下面发现了很多她需要的东西。十几年前，费米曾经在那里带领着一个小组创造了世界上第一个人造核裂变链式反应。在那里，成堆的剩余设备可供她随意取用。通过对这些材料进行再利用，她为自己的实验制作了超导线材，制造了微波设备，甚至生产了液态氦。

德雷斯尔豪斯说，她之所以能有这样的进取心，是因为她的小学老师太糟糕了。她说：“他们实在是糟透了，如果你想学到什么东西，你就必须自学。这是绝佳的培训。”

德雷斯尔豪斯在芝加哥遇到了她未来的丈夫，她的研究生同学金•德雷斯尔豪斯（Gene Dresselhaus）。他们于1958年5月结婚，之后搬到了纽约州伊萨卡，在那里，她担任美国国家科学基金会的博士后研究员，而金在康奈尔大学物理系任职为初级教员。在那里，德雷斯尔豪斯还遇到了另一位著名的科学家理查德•费曼（Richard Feynman），不过他在多年后才出名。当时，费曼正在研究后来形成电动力学量子理论的方程。

她说：“他会不时地发表演讲。如果有费曼的讲座，你一定要去听。总是很有趣，他会涉及一些你知道的问题，但会从一个完全不同的角度来探讨。”

1959年，德雷斯尔豪斯夫妇迎来了他们的第一个孩子玛丽安（Marianne）。尽管德雷斯尔豪斯偶尔会参加费曼那有启发性的讲座，但在当时，康奈尔大学并不完全是一个女学者的梦想之所。早些时候，一名教师直白地告诉她，他永远不会允许女人为他的工程专业学生授课。

因此，在1960年，德雷斯尔豪斯夫妇去了麻省理工学院的林肯实验室。在那里，她不再研究她博士期间的课题——超导体，而开始研究石墨、铋和其他一些半金属材料的磁性能和光学性能。她说，这个领域当时还并不流行，也没有很大竞争，这就给了她养育四个孩子（一个女儿和三个儿子）所需的空间，直到1964年。但是，作为一个有工作的母亲，她在职业生涯中还是遇到了一些挫折。

她林肯实验室的一个同事H•尤金•斯坦利（H. EugeneStanley，现在是波士顿大学的物理学、化学、生物医学工程和生理学教授）回忆了德雷斯尔豪斯在1964年生下她最小的孩子艾略特（Eliot）后第二天的事情。

斯坦利回忆说：“她的第四个孩子出生次日就被她带着来上班了。她到那儿的时候大概是正午时分或下午1点左右，推着孩子。但由于林肯实验室是一个政府实验室，你要么必须有许可，要么就要有工作证。他们不让孩子进去。她气坏了！我从没见过她生气，但那天我看到她真的生气了。” 

1967年，德雷斯尔豪斯接受了一个电气工程访问教授的职位，从林肯实验室到了其上级机构麻省理工学院，次年成为了终身教授。1983年，她又担任了物理学教授。

“当我第一次来到麻省理工学院时，（物理）系还只对高能物理感兴趣。”她所说的是当时一个研究在超高能量中碰撞亚原子的领域。她补充说，当时，较为直观平凡的物理学领域——从材料科学到工程物理学——都没什么地位。“现在这一切完全不同了……现在非常缺少同时具有物理和工程背景的人才。”

在剑桥市寒冬里的一个下雪天，德雷斯尔豪斯在她麻省理工学院的办公室里畅谈了她喜爱的话题。她说道：“想想一片简单的碳材料，也称为石墨。”

她从她的柜子上拿下来一个已经用旧了的球棍模型。她说：“碳的晶体结构使其面内力在自然界里是最强的。但是，面与面之间的联结就非常脆弱了。因此它很容易分层。”

铅笔的石墨芯可以在不碎裂的情况下很容易地脱落，但它仍然可以牢固地附着在纸张这样粗糙的纤维表面上。换句话说，单个石墨片会像金刚石一样坚韧。但作为一个群体，它们就像酥皮面团一样易被剥落。

在整个20世纪的60到80年代，德雷斯尔豪斯和她的研究生研究了石墨和碳层间化合物的性质——也就是说，夹着个别溴或氢原子的石墨薄片，样子就像面包片之间夹着橄榄。她的团队也奠定了发现和探索纳米材料技术的基础，例如被称为富勒烯的微小碳球、被称为碳纳米管的圆柱碳管以及被称为石墨烯的只有单层原子的碳薄片。

这些碳结构的变化或组合可以制造出比凯夫拉纤维更坚固的防弹衣、能够过滤掉海水中盐分的超小孔薄膜，甚至是可以给那些有严重脊髓或器官损伤的人带来新希望的仿生器官。把石墨和碳纳米管在电池或电容器中用作电极，有望制成一种终极的能量存储系统。它们的充电容量会超越那些传统电池，而它们（比方说电动车载电池）的充电时间会比加一箱汽油所需的时间还短。

而作为下一代电子产品可能的基底，石墨烯现在的竞争对手并不多。未来，它的高导电性（优于银）和单原子厚度优势可能会使活跃的、分子大小的石墨烯电路元件的计算速度大幅提升，达到太赫兹级别。德雷斯尔豪斯说：“石墨烯并不会取代硅；它有其他用途。”

虽然德雷斯尔豪斯已经是八十多岁的高龄，但她仍然每天到麻省理工学院的办公室上班，包括周末和节假日，经常早上6点就到。她对工作——现在包括研究石墨烯、碳纳米管和其他纳米材料的光、电和振动特性——的热情似乎丝毫未减。她简单地说：“我对我目前的研究很兴奋，我还不急着停止工作。” 

■●■

在麻省理工学院的多年职业生涯中，德雷斯尔豪斯也辅导了很多年轻人，尤其是帮助女性开始STEM的职业生涯。她辅导了六十多个博士生的论文，并在同行和同事遇到职业转换或职业拐点时，给予他们帮助和建议。

德雷斯尔豪斯在哈佛和林肯实验室的前同事劳拉•罗斯（Laura Roth）说：“有一次在麻省理工学院，她告诉我，她正在与一个名叫雪莉•安•杰克逊（Shirley Ann Jackson）的出色（博士）学生共同进行研究。现在那个学生成为了伦斯勒理工学院的院长。”（杰克逊本身拥有52个荣誉学位，被《时代》周刊称为“也许是科学领域女性的最高榜样”。）

麻省理工学院机械工程系的负责人陈刚（Gang Chen，音）说：“我团队中有4名女性……在麻省理工学院期间，她们都得到过德雷斯尔豪斯的帮助。有好几次，德雷斯尔豪斯主动跟我的女学生谈话，向她们提供职业生涯的建议。”

陈刚补充说：“一方面，现在才出现第一位获得IEEE荣誉奖章的女性，这似乎有些晚了；但另一方面，没有人比德雷斯尔豪斯更合适，她已经成为了一个很高的标杆。我相信，德雷斯尔豪斯接受这个荣誉将会激励IEEE的更多女性勇攀高峰。”

作者：Mark Anderson 

>>>本文为原创，转载请回复。<<<

往期推荐