浅谈唯物主义辩证法在二维材料研究中的作用

□宋纳红 师 文 王玉生 贾 敏

一、唯物主义辩证法与凝聚态物理学

唯物主义辩证法是关于对立统一、斗争和运动、普遍联系和变化发展的哲学学说，是马克思主义理论的主要组成部分。马克思主义认为，辩证法是关于普遍联系的科学，其对辩证法的科学定义是：辩证法是关于自然、人类社会和思维发展最一般规律的科学。唯物主义主要有三个基本规律，对立统一规律、量变与质变规律和否定之否定规律[1]。

物理学来自于哲学，1687年英国物理学家艾萨克·牛顿创作了《自然哲学的数学原理》一书。该书从各种运动现象中探讨自然力，再用力来解释自然现象。提出了力学的三大定律和万有引力定律，从而使经典力学成为一个完整的理论体系。直到现在，牛顿三定律仍然是描述宏观低速系统中的正确定律。凝聚态物理是物理学的一个分支学科，是研究凝聚态物质的结构和粒子之间相互作用规律的学科，进一步研究凝聚态物质的原子之间的结构、电子态结构以及相关的各种物理性质。凝聚态物理学是当前物理学中最活跃的分支学科之一，在许多学科领域乃至最前沿的高新科学技术领域中都发挥着至关重要的作用，为发展新材料、新技术、新工艺等提供了强有力的理论支撑。唯物主义辩证法在凝聚态物理的发展过程中起到了重要的指导作用，利用唯物主义辩证法的理论来思考问题，可以更好地促进凝聚态物理相关领域的研究。

二、二维材料研究与哲学思考

(一)量变与质变规律在制备石墨烯研究中的应用。二维材料是一类新兴的纳米材料，是凝聚态物理比较前沿的研究领域。和三维块体材料相比，二维材料具有独特的物理和化学性质，所以近几十年引起了广大科学工作者持之以恒的研究兴趣。石墨烯的发现使科学界产生了巨大波澜，成为国内外研究的热点。尽管二维材料的探索可以追溯到几十年前，但是直到2004年才从实验上制备出真正的二维纳米材料——石墨烯，这标志着超薄纳米材料的诞生[2]。两位英国的科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，由于在二维石墨烯材料的开创性实验，在2010年共同获得诺贝尔物理学奖[3]。石墨烯的发现向人类展示了二维物质能够在自然界中稳定存在，从而开辟了原子厚度的二维物质研究的新时代。石墨烯的发现不仅打破了长久以来二维晶体无法在自然界中稳定存在的预言，而且由于其自身的优异性质也使得石墨烯在基础研究和未来应用中极具潜力。石墨烯的出现是人类认识世界和改造世界的重大突破，这说明在认知世界方面人类的认知能力上升到了一个新的层次，标志着人类科学技术的发展迈向新的空间。

二维材料具有许多优于传统三维材料的性质。以石墨烯为例，其载流子的移动速度约为200,000cm2V-1s-1，远远高于其它普通的半导体材料。石墨烯具有极强的热导性能，导热系数为5,000Wm-1K-1，比一般金属良好。由于石墨烯中的碳原子是sp2杂化的，决定了石墨烯具有极高的强度，其杨氏模量约1,100千帕，是目前人类已知的强度最高的材料，甚至比钻石还硬。石墨烯的比表面积可达2,630m2g-1，这使得石墨烯能够有效地吸附原子和小分子，是很好的催化剂载体，也可用于能量存储和锂离子电池的电极材料。石墨烯的电学特性也极其特异，具有室温量子霍尔效应。由于这些独特的性质，石墨烯在薄膜、传感器、超级电容器、能量存储等方面都有广泛应用[4]。

石墨烯的实验制备体现了哲学中量变与质变的规律。量变是质变的必要准备，质变是量变的必然结果。量变是数量的增减，是渐进的变化。质变是一种状态向另一种状态的飞跃。质变始于量变，量变达到一定程度必然引起质变。量变和质变互相渗透，在量变的过程中有着部分的质变。自然界中每一件事情的发展都是一个缓慢的过程，都经历了一系列量的积累。只有在量变积累到一定程度的时候，质变才能发生。石墨烯制备原理方法很容易理解：首先从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后把胶带贴在薄片的两面，撕开胶带，薄片变得更薄。再接着重复上面的操作，最后得到只有单层原子构成的石墨，这就是石墨烯。刚开始用胶带撕石墨片并没有获得单层石墨烯，只是使石墨片更薄，这便是量变。

二维材料的制备和应用体现了宏观到微观，微观再到宏观的哲学思想。人类对物质的认识可以分为两个层次：宏观和微观。宏观是指研究对象的尺寸较大，用肉眼可以看的见的物质，在宏观的时空坐标中的下限是有限的，而上限是无限的。例如汽车、建筑、太阳、星系都属于宏观物质。所谓微观，一般是肉眼无法区分的较小的物质，例如分子、原子、原子核、电子等。还有更小的基本粒子，如中子、质子、介子、夸克等。微观时空坐标的上限一般是原子或分子，下限是无限的。二维材料的诞生是人类对生产资料在微观分子层面改造过程中的创新产物。从石墨片剥离出单原子层的石墨烯体现了从宏观到微观的哲学思想，也就是“从大到小”的方式。而石墨烯的实际应用又体现了从微观到宏观的哲学思想，也就是“从小到大”或“从简单到复杂”的方式[5]。

(二)对石墨烯发现和研究过程的辩证思考。辩证唯物主义的认识论认为认知过程要受到多方面条件的限制，主要包括主观条件和客观条件。人类对某一事物的认识是一个复杂的过程，这种认识过程必然受到人为的主观因素的限制。主观因素包括很多方面，比如知识储备、抽象思维、创造思维、生活经验等。石墨烯的发现，如果没有两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫的创造性思维，如果没有关于石墨和二维材料等方面基础知识的储备是不会成功的。辩证唯物主义认为，现实世界中的任何事物、任何关系、任何过程都具有必然和偶然的双重属性[6]。必然性总是要通过大量的偶然性表现出来，没有纯粹的必然性。偶然性就是机遇，机遇产生的客观依据在于偶然性和必然性的辩证统一。偶然以必然为基础，必然通过偶然来实现。物理学家利用透明胶带撕扯石墨薄片偶然发现了石墨烯。在科学发展史上，当一些研究成果公布后，相关领域的学者会感到研究并不复杂，自己可能也曾遇到过类似的现象，可惜没有进一步研究，以至丧失了机遇。从辩证唯物主义认识论的观点来看，这充分体现了偶然性和必然性的关系。当机遇出现时，如果能够认识到偶然性背后隐藏着某种必然性，便会总结偶然性，继续深入研究，进一步挖掘隐藏在背后的必然性，找出偶然和必然的内在联系，由感性认识上升到理性认识，这样新的发现、新的物质就诞生了。反之，如果当机遇出现时，未能意识到偶然性背后的必然性，便会与本来自己也可以完成的科学发现失之交臂。所以，在科学研究中，遇到一些新的现象要积极思考、善于归纳，能够利用平时积累的知识挖掘其本质，找出普适规律。

辩证唯物主义的认识论认为认知还必然受到客观条件的限制。实验观察是科学研究获得科学事实的一种重要手段，历史上许多科学成果来源于观察实验中。结合实验观察结果，在理论上给予概括和证明，总结出科学研究对象的本质和规律。科学观察需要一定的设备和仪器，这既是客观条件。扫描隧道显微镜、原子力显微镜、X射线衍射仪、透射电镜等实验仪器发明后，涌现出丰硕的研究成果。客观条件在认知自然的过程中起到了重要作用，现代科技成果的获得离开先进的仪器这一客观条件是很难完成的。

(三)密度泛函理论的应用充实了辩证唯物主义的认识论和方法论。量子力学中的薛定谔方程在处理单电子问题时非常成功，但是处理多电子体系就非常困难。而实际问题中大多为多粒子体系，如果直接处理薛定谔方程，即使采用现代物理学和量子化学最先进的方法也无法严格地处理多粒子体系的量子态。因此在具体研究中必须采用某些合理的近似和简化来处理。将复杂的多电子系统简化为多个单电子体系，再把单电子体系叠加起来，从而达到多电子体系的结果。密度泛函理论就是一种将多体问题转化为单体问题，研究多粒子体系电子结构的量子力学方法，在原子、分子和固体的电子结构研究中的应用取得了显著成果。

密度泛函理论采用绝热近似和单电子近似，用电子密度取代多粒子薛定谔方程中具有相互作用电子的空间坐标，将多体相互作用简化为计算单粒子有效势的问题。所以电子密度的地位和作用不再仅是一个可观测量，而是作为一个基本物理量来出现。通过对体系归纳和近似，可以电子密度来获得其他所有可观测量。这不仅减少了计算量，同时简化的模型也使物理理论更容易被理解。从哲学上来看，归纳与演绎作为一个完整的思维过程，相互依存，彼此间有着辩证关系。归纳是从个别到一般，演绎为归纳提供了应用普遍性、一般性的知识来分析特殊现象的方法，同时归纳的结论是否正确，也需要演绎来论证。演绎是归纳的指导，归纳是演绎的基础。人们正是在归纳和演绎的交替中，从个别到一般，又从一般到个别，使思想不断丰富发展，认识趋于深化。

(四)否定之否定规律在二维材料研究中的作用。单原子层的石墨烯具有很多独特的物理化学性质，能够在自然界稳定存在，那么其他类似的二维材料能否也稳定存在呢？随着研究的深入，一大批二维材料逐渐被理论预测或实验成功制备。和碳同族的硅元素，电子结构类似，和碳具有很多相似的特性。因此研究者首先关注硅构成的二维材料。研究表明硅单层——硅烯是类石墨烯结构，表现出优异的性能，在低维材料中具有代表性。和石墨烯不同，硅烯不是绝对的平面结构，原子具有0.44Å的起伏。具有褶皱而非平面结构的硅烯是比较稳定的。除此之外，研究者还研究了其他类石墨烯的二维材料，包括硼氮单层、磷烯、硼烯、过渡金属硫族化合物二维材料等。这些新型二维材料具有传统三维材料无可比拟的优点，在许多领域应用极具潜力。通常情况下，二维材料是没有磁性的，这使得二维材料无法在自旋电子器件中得到应用。为了使二维材料字自旋电子器件中能够应用，调控其电子结构和磁性是新的挑战。到目前为止，对二维材料性能的调控有很多不同的方法，例如取代掺杂，吸附掺杂，缺陷，边缘钝化等。二维材料的发展充分体现了辩证唯物主义关于认识运动是发展的这一基本规律，二维纳米材料的诞生标志着材料科学进入了一个新的层次，从认识论的意义上看，人类认识自然的水平又前进了一步。也充分证明研究成果的取得不可能是直线型的，其发展是前进性与曲折性的对立统一。对石墨烯及其它二维材料性能调控的研究历程，体现了哲学中的否定之否定规律。

在寻找新的二维材料的过程中，科学家已逐渐开始关注具有层状结构的金属硫族化合物。因为13族硫族化合物具有丰富的內禀缺陷结构、光学、电子以及光电特性，在基础研究和技术应用两个领域中都起着至关重要的作用。过渡金属硫化物中过渡金属原子在中间，硫原子在外围。而Tl2S具有反CdCl2结构，是硫原子而不是铊原子在中间层，这与过渡金属硫化物刚好完全相反。传统上认为Tl2S是稀有的硫铊矿，Tl2S具有黑色、柔软和极薄的物质特征，已经被成功合成。这为进一步的理论和实验研究探索Tl2S的特性奠定了基础。Tl2S是半导体，也没有磁性。利用第三周期的过渡金属掺杂，结果显示所有的过渡金属和有缺陷的Tl2S结合较强。体系的磁矩、稀磁半导体和金属等性质和取代掺杂的过渡金属原子有关。过渡金属取代掺杂的Tl2S体系(从钪到镍)具有分数磁矩。这些发现将为实验上和理论上探索二维稀磁半导体提供新的途径。

否定之否定规律揭示的是事物发展的全过程。事物的发展是前进性和曲折性的统一，是螺旋式上升的，即使现在认为是正确的结论将来也可能出现变化，追求真理永无止境。上述类石墨烯二维材料的研究开发，说明人类可以通过多种研究方法改造生活中的客观物质，通过认知客观世界，不断总结创新的过程也充实了辩证唯物主义的认识论和方法论。研制新型二维材料，调控新型二维材料的性能正是辩证唯物主义方法论中否定之否定规律在科研中的具体体现，正是这种螺旋式上升的研究，才使人类改造自然的能力不断提高，改善人类与自然共存方式得到提升。

三、辩证法与唯物论在二维纳米材料研究中的展望

辩证唯物主义的认识论认为运动是不断反复的，人认识不同事物也需要不断运动反复，从实践到认识，再由认识到实践多次反复才能获得正确结论。在认识世界改造世界的过程中，一定要发挥人的主观能动性，不断探索新的研究方法和观测手段，让新科技为人类服务，进一步认识和改造自然。二维材料的发展历程充分体现了辩证唯物主义的思想。辩证唯物主义的方法论无处不在，物理学中诸多理论都是培养辩证唯物主义方法论的重要工具。作为一名理工科的教师，借助辩证唯物主义完成了自己博士期间的科学研究。今后唯物论与辩证法在教学科研中还将起到重要的作用。在给学生上课时，不仅要传授给学生物理学方面的知识，还要引导学生学习教材中的辩证唯物主义，树立正确的世界观、科学观和方法论。

四、结语

本文根据自己博士阶段学习和研究经历，结合唯物论与辩证法，介绍了博士阶段研究领域的研究对象和研究方法。二维材料的发展充分体现了唯物论与辩证法思想对科学研究的指导作用。石墨烯的发现和制备过程正是由量变积累到质变飞跃的体现，同时也反映了偶然性和必然性之间的关系。当偶然或机遇出现时，要善于联想到其背后隐藏的必然，进一步深入研究，从偶然中找到必然，新的科学发现便诞生了。对现有二维材料性能的调控充分体现了否定之否定规律，对二维材料的认识和改进不是直线性的，其发展是前进性与曲折性的对立统一。科研过程要充分利用辩证唯物主义方法论来思考问题，从多方面、多角度对研究对象进行分析和总结，进一步实现对研究对象的改造和利用。通过对辩证唯物主义方法论的学习和思考，结合自己的科研领域，提升了对理论知识的理解，为将来进一步学习和研究相关知识打下了良好基础。