重點提要
■石墨薄膜是由碳原子連結成厚度僅一個原子的薄片，而許多層薄片重疊後形成石墨，也就是鉛筆中的「鉛」。物理學家最近才成功分離出這種材料。

■這種純淨（無雜質）且毫無瑕疵的晶體，在室溫下的導電性高於其他各種物質。

■工程師預言石墨薄膜可用於製作許多種產品，例如超高速電晶體等。物理學家也發現，這種材料有助於驗證某些現象奇特的理論，這些現象以往只能在黑洞和高能粒子加速器中觀察。

來談談不起眼的鉛筆。如果說這種現在很普通的書寫工具，曾經名列不可或缺的高科技用品清單榜首，你或許會十分驚訝。事實上，構造簡單的鉛筆甚至曾被認為是戰略軍事物資而禁止出口。但更令人意想不到的是，我們每次用鉛筆畫線時，紙上的線條中就有目前在物理學和奈米科技上最熱門的新材料：石墨薄膜（graphene）。

石墨薄膜的組成材料是石墨，也就是鉛筆裡的「鉛」，它是由層層碳原子堆疊成的純碳結構。人類數百年前就已發現石墨有層層結構，因此物理學家和材料科學家很自然就會想將這種礦物一層層分開，以研究這種幾何結構十分簡潔優雅的物質。這種礦物的單層結構便稱為石墨薄膜，是純碳原子在同一平面上以六角形排列構成的網狀結構，僅有一個原子厚。

不過多年以來，嘗試製作石墨薄膜的努力都以失敗告終。早期最普遍的方式是在石墨的原子面之間插入各種分子來劈開原子面，稱為化學頁狀剝離法（chemical exfoliation）。雖然石墨薄膜層在處理過程中某個階段一定會從石墨上剝離，但模樣卻不像石墨薄膜，最後的產物通常是一團石墨顆粒泥漿，跟潮濕的碳灰沒什麼差別，因此科學界很快就對化學頁狀剝離法失去了興趣。

不久之後，實驗人員嘗試另一種比較直接的方法。他們拿石墨在另一種表面上刮擦或摩擦，將石墨晶體分成更薄的薄片。這種稱為「微機械劈理」（micromechanical cleavage）的技術雖然比較粗魯，但效果出奇地好。研究人員可剝下厚度不到100個原子的石墨薄片，德國亞琛科技大學的物理學家於1990年就曾分離出薄到透明的石墨薄片。

10年後，金（本文作者之一）與當時為美國哥倫比亞大學研究生的張遠波改良了微機械劈理法，製作出高科技版的鉛筆，當然可說是「奈米鉛筆」了，用奈米鉛筆「書寫」時可產生厚度僅數十個原子層的石墨（見95頁〈奈米鉛筆痕跡〉）。不過這樣製造出來的材料仍只是很薄的石墨片，不是石墨薄膜。科學界普遍認為石墨薄膜不可能存在於自然界中。

這個悲觀的看法在2004年宣告打破。蓋姆（本文作者之一）與當時在英國曼徹斯特大學擔任博士後助理的諾佛謝洛夫（Kostya S. Novoselov）合作研究了許多種方法，以製作更薄的石墨樣本。當時大多數實驗室從碳灰著手，但蓋姆和同事碰巧是從石墨被蠻力分割後留下的碎片開始動手。他們將一小片石墨黏在膠帶上，對折膠帶，讓有黏性的一面包覆著石墨片，再撕開膠帶，將石墨片分成兩半，重複進行這個程序，做出越來越薄的石墨碎片（見97頁〈自己動手做石墨薄膜〉）。研究人員做出許多石墨薄片後，仔細檢視這些薄片，驚奇地發現有些竟然只有一個原子厚。更出乎意料的是，這些剛剛驗明正身的石墨薄膜具有很高的晶體特性，而且即使在室溫下，化學穩定性也相當高。

這項石墨薄膜的實驗發現，引發一陣國際研究熱潮。它不僅是所有可能狀況下最薄的材料，而且極為強固堅韌。除此之外，純石墨薄膜在室溫下傳導電子的速度比其他各種物質都快。目前全世界各實驗室的工程師都在研究這種物質，看看能不能用它來製造實際產品，例如超強韌的複合材料、智慧型顯示器、超快速電晶體，以及量子點電腦等。

在此同時，石墨薄膜在原子尺度上的獨特性質，則帶領物理學家深入鑽研必須以相對論性量子物理才能描述的各種現象。研究這類可說是自然界中最奇特的現象，以往一向是天體物理和高能粒子物理學者的專利，必須用上價值數百萬美元的望遠鏡或數十億美元的粒子加速器。石墨薄膜讓實驗人員使用一般實驗器材，就能驗證相對論性量子力學的預測結果。…more

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下回你碰上一隻搖著尾巴的狗時，看看狗的尾巴朝哪個方向搖，就能迅速決定究竟是要伸手拍拍牠，還是小心退後一步。如果狗尾巴搖向狗的右側，那麼你的安全無虞，如果搖向左側，那你就別亂動。

這篇有關狗尾巴搖動方向的報告，是義大利巴里大學的神經科學家維羅提格拉與獸醫同事合作，發表在2007年的《當代生物學》期刊。其中一個實驗將30隻混血狗分別關在裝置了攝影機的籠子裡，記錄牠們在面對四種不同的刺激下，尾巴非對稱性搖動的方向（偏左或偏右）。這四種刺激分別是狗主人、陌生人、一隻貓以及一隻陌生的優勢狗。狗主人引起狗尾巴強烈的往右方搖，陌生人及貓引起小幅向右搖，但陌生的優勢狗（好比一隻大型的比利時瑪利諾牧羊犬）卻引起強烈的向左搖。為什麼會這樣呢？

研究人員指出：左腦控制了身體右側，右腦則控制了左側，因此當左腦感受到正面情緒時，就有神經訊息越過了身體中線，造成狗尾巴朝向右側搖動。這種朝左向右的區別，可由鳥類、魚類以及青蛙等動物在表現接近或逃避行為時，都出現左腦右腦的不同，而得出解釋。生物的左腦與正面、親近的感覺有關，右腦則參與負面、逃避的感覺。至於演化上與人類更接近的黑猩猩，在出現負面情緒時，較常出現搔抓左側身體的動作；而主控腦為右腦、慣用左手的黑猩猩，則比慣用右手的更害怕面對全新刺激。

人也一樣。實驗顯示，人的左腦與愛、依附、親密關係以及安全感有關，例如腦電圖顯示：出現正面情緒或觀賞喜劇片段的受試者，左額葉皮質的活性有所增強；反之，出現負面情緒或觀賞讓人不快的影片時，右額葉皮質的活性則隨之增高。此外，讓受試者觀賞可愛的嬰兒相片時，腦部掃描顯示同樣的左額葉皮質區活性有所增加；讓受試者觀賞嚴重變形的嬰兒相片，則顯示右額葉的皮質區遭到活化。最後，以強力磁場刺激受試者腦部的左額葉區，會引發他們正面的情緒；刺激右額葉區，引發的則是負面情緒。

為什麼腦子會出現這種與情緒相關的神經網絡差異呢？我從演化理論衍生出的想法是：我們的情緒在與思想認知過程的互動之下，導引我們的行為朝向生存以及生殖的目標而去。舉例而言，美國南加州大學的神經科學家達馬吉歐曾以實驗顯示，情緒在決策上扮演著重要角色：在低度刺激下，情緒似乎扮演著顧問的角色，與腦中負責理智的皮質區進行互動；在中度刺激下，皮質理性區與腦中更深層且演化上更原始的情緒區會出現扞格；在高度刺激下，情緒還有可能壓過皮質的認知過程，讓人無法以理智思考取得結論，而出現「失控感」。問題是，我們為什麼要演化出情緒呢？

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撰文╱班尼歐斯（Thania Benios）
翻譯／張亦葳                           

魏金斯坐在機場的接駁巴士裡，準備前往卡維里理論物理研究所演講。此時他收到一位同事的訊息，而打開了一個微軟Excel檔案。表格內的數字和他受邀主講的生物高分子物理學（biopolymer physics）沒什麼關係，反而跟出芽酵母菌（budding yeast）的基因活動有關，更清楚的說，這些數字是酵母菌在生殖週期當中，全部6200個基因所表現的信使RNA（mRNA）量。魏金斯回憶起2002年春天的那個日子，他說：「那是我生平第一次看到這樣的東西。」當時他同事問的是：「你怎麼解釋這些數據？」

這位美國哥倫比亞大學的應用數學暨物理學家當年36歲，決定認真思考這個問題，而沒有逃避它，經過六年的光陰，他想他現在有了答案。魏金斯深入他所不熟悉的領域，費心使用人工智慧中的機器學習工具，將真實世界中生物基因製造蛋白質的相關資訊模組化。1950年代後期，工程師為了預測輸入電腦的資料會產生什麼結果，而設計了這些工具，現在，魏金斯他們把機器學習引進自然科學領域，但並非讓它預測輸入與輸出，而是分析介於其間的「基因調控模式」這個黑盒子裡，裝著什麼秘密。

這項工作的推動始於1990年代後期，因為高產量技術的出現，可提供比從前更多的mRNA表現圖譜及DNA序列，魏金斯說：「那讓我們對生物學現象有了完全不同的思維。」其中的關鍵技術是DNA微陣列（DNA microarray），那是一種晶片，能自動大量展示基因活動的全貌及其在各種細胞內表現的程度。利用過去認為雜亂不全的資料，生物學家如今可推測某個基因在不同細胞內是否會表現，並由產生的蛋白質組合判斷細胞是否健康。

但預測這樣的基因活動，需要釐清它們的基本規則。現任哥倫比亞大學生物學副教授的理論物理家布森馬克（Harmen Bussemaker）說：「長久以來，這些規則都被關在一個個細胞中，演化至今仍隱藏了好東西。」

為了找出這些規則，科學家需要統計數據，以推論基因與調控蛋白質間的交互作用，並將基因與蛋白質之間的長期動態模式，用數學的方法描述出來。只不過，對從未研究過粒子或行星等主題的物理學家而言，統計學根本是種詛咒，英國物理學家拉塞福（Ernest Rutherford）就曾經這麼形容：「如果你的實驗需要用到統計，那麼你應該做過更好的實驗了。」

可是，魏金斯說：「使用晶片的實驗用不著你動手就能完成，而且生物學不會給你一個模式去解釋那些資訊。」更有挑戰的是，有無數方式可以形成DNA、RNA和蛋白質的組件，而且還有具些微差異的互動規則在影響著它們的活動。因此，想要將互動模式回歸基本層面，即使可能，困難度也很高。有些基因和蛋白質甚至是未知的，美國普林斯頓大學的生物物理學家彼亞雷克（William Bialek）說：「你正試著利用自己不是非常了解的工具，要在自然界找到一些令人信服的東西。你被迫成為一個不可知論者。」…more

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