二维纳米材料-石墨烯
石墨烯是纳米材料吗
石墨烯是纳米材料吗
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，其厚度仅为一个原子层，因
此具有极其优异的纳米特性。
然而，要确定石墨烯是否属于纳米材料，需要从多个角度进行深入探讨。
首先，从尺寸上来看，石墨烯的厚度仅为一个原子层，而其二维结构使得其在
另外两个维度上可以延伸至数百微米甚至更大的尺度。
这种特殊的尺寸特性使得石墨烯同时具备了纳米尺度和宏观尺度的特点，因此在尺寸上，石墨烯可以被归类为纳米材料。
其次，从性能上来看，石墨烯具有许多出色的纳米特性。
例如，石墨烯具有极
高的导电性和热导率，这些性能使得其在纳米电子学和纳米材料应用领域具有巨大的潜力。
此外，石墨烯还具有优异的机械强度和柔韧性，这些性能使得其在纳米材料的领域中也具有重要的应用前景。
综合来看，石墨烯的优异性能使得其符合纳米材料的特征，因此可以被认定为纳米材料。
再者，从制备和应用角度来看，石墨烯的制备方法和应用技术都与传统的纳米
材料有着很大的不同。
石墨烯的制备方法主要包括机械剥离、化学气相沉积、化学气相沉积等，这些方法与传统的纳米材料制备方法有着本质上的区别。
同时，石墨烯在电子、光电、传感等领域的应用也展现出了与传统纳米材料不同的特性和优势。
因此，从制备和应用的角度来看，石墨烯可以被视为一种独特的纳米材料。
综上所述，无论是从尺寸、性能还是制备和应用角度来看，石墨烯都具备了纳
米材料的特征和特性。
因此，可以得出结论，石墨烯是一种纳米材料。
当然，随着石墨烯研究的不断深入和发展，我们对其纳米特性的认识也将不断完善和深化，这将为其在纳米材料领域的应用带来更多的可能性和机遇。
石墨烯纳米复合材料
石墨烯纳米复合材料
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，具有优异的导电性、热导性
和机械性能。
石墨烯的发现引起了科学界的广泛关注，人们开始探索如何将石墨烯与其他材料结合，以期望得到更多新颖的性能。
石墨烯纳米复合材料应运而生，成为了当前材料科学研究的热点之一。
石墨烯纳米复合材料是指将石墨烯与其他纳米材料进行复合，形成新的材料体系。
这种复合材料不仅继承了石墨烯的优异性能，还具有了其他纳米材料的特性，因此在电子器件、储能材料、传感器等领域具有广阔的应用前景。
首先，石墨烯与纳米金属复合材料在催化剂领域有着重要的应用。
石墨烯具有
大量的π共轭结构，能够提供丰富的活性位点，而纳米金属具有优异的催化性能，将两者复合能够有效提高催化剂的活性和稳定性，从而在化工领域有着广泛的应用。
其次，石墨烯与纳米陶瓷复合材料在耐磨材料领域有着重要的应用。
石墨烯具
有出色的机械性能和高强度，而纳米陶瓷具有硬度大、耐磨性好的特点，二者复合后能够有效提高材料的耐磨性能，因此在航空航天、汽车制造等领域有着广泛的应用。
此外，石墨烯与纳米聚合物复合材料在柔性电子领域也有着重要的应用。
石墨
烯具有优异的导电性和柔韧性，而纳米聚合物具有良好的柔韧性和成型性，二者复合后能够制备出柔性电子器件，如柔性传感器、柔性电池等，因此在可穿戴设备、医疗器械等领域有着广泛的应用前景。
综上所述，石墨烯纳米复合材料具有广泛的应用前景，在能源、材料、电子等
领域都有着重要的作用。
随着材料科学的不断发展，相信石墨烯纳米复合材料将会有更多的新突破，为人类社会的发展做出更大的贡献。
石墨烯纳米片的制备及性质研究
石墨烯纳米片的制备及性质研究石墨烯是石墨的一种单层结构，它是一种新型的二维纳米材料，具有优异的物理、化学和机械性质。
石墨烯具有高的电导率、高的热导率、高强度、高的化学稳定性、透明和柔韧等特性，因此被广泛应用于化学、生物、电子、材料等领域。
本文将重点探讨石墨烯纳米片的制备及性质研究。
一、石墨烯纳米片的制备方法目前石墨烯制备的方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法、化学还原法和化学氧化法等。
下面我们分别介绍一下这几种方法。
1. 机械剥离法机械剥离法是一种制备石墨烯的最早方法，主要是利用图形石墨材料的机械剥离来获得单层石墨烯。
这种方法的原理是在嵌入一层胶带后，将其撕下，这样可以将石墨材料的一层单晶体剥离下来。
但是这种方法具有高成本、低产率和不利于规模化生产等缺点，因此不适用于大规模生产。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种较为成功的石墨烯制备方法，主要是通过将化学气源转化成石墨烯，在衬底上生长单层石墨烯。
这种方法的原理是在高温下将烷烃分子或其他含氢气体转化成碳源，从而生长出原子尺寸大小的石墨烯膜层。
这种方法具有成本低、量大、效率高等优点，可以用于规模化生产。
3. 化学还原法化学还原法是一种将氧化石墨烯还原成石墨烯的方法。
这种方法的原理是将氧化石墨烯在还原剂作用下还原成石墨烯，实现从红外吸收的金属氧化物到金属氧化物的转变。
4. 化学氧化法化学氧化法是一种将石墨材料在含有强氧化剂的酸性溶液中氧化成氧化石墨烯的方法。
这种方法的原理是氧化剂可以将石墨材料中的碳原子中心的轨道变成氧原子的轨道而转化成氧化石墨烯，在水溶液中形成分散的纳米片。
二、石墨烯纳米片的性质研究石墨烯具有许多优异的物理、化学和机械性质，具体如下：1. 电导率高石墨烯具有高达 1 × 10^5 S/cm 的电导率，这是金属的 100 倍以上。
这是因为石墨烯的电子能带结构与传统的半导体和金属材料有很大不同，其导带和价带相接，并呈现线性带结构，电子具有质量接近于零的状态。
正六边形二维纳米材料
正六边形二维纳米材料
正六边形二维纳米材料具有许多优异的特性，如轻薄、强度大、导电性和导热性好等。
其中，石墨烯是一种典型的正六边形二维纳米材料，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格结构。
石墨烯的理论厚度仅为一个原子层，于2004年在曼彻斯特大学实验室中首次被成功分离，2010年因对石墨烯的研究成果而被授予诺贝尔奖。
它在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。
在表征石墨烯时，常用的方法包括SEM、TEM、AFM、FT-IR、Raman、PL、UV-Vis、NH3-TPD、XRD、XPS、分子动力学(AIMD)模拟、EPR等。
这些方法可以为石墨烯的研究提供重要的信息，有助于进一步了解其性能和应用。
2DMATERIAL二维材料
2DMATERIAL二维材料二维材料是一种具有纳米级厚度的材料，可以看作是仅由单层原子或分子组成的材料。
由于其独特的结构和性质，二维材料在材料科学和纳米技术领域展现出了巨大的潜力。
本文将着重介绍石墨烯，其在二维材料中的重要性和应用。
石墨烯是最著名的二维材料之一，由于其出色的导电性、热导性和力学性能，石墨烯备受关注。
它是由碳原子以蜂窝状排列形成的单层薄片，厚度约为0.34纳米。
石墨烯的独特结构使其具有很多引人注目的性质，例如高载流子迁移率、高热稳定性和高强度。
由于这些特性，石墨烯被广泛应用于电子学、光学、能源存储和传感等领域。
在电子学领域，石墨烯可以作为晶体管的替代材料，用于制造更小、更快的电子器件。
石墨烯的高载流子迁移率使其可以实现高速电子传输，从而提高了电子器件的性能。
此外，石墨烯还可以用于制造柔性电子器件，如柔性显示屏和可穿戴设备。
这些器件通常需要材料具有高强度和弯曲性，而石墨烯在这方面表现出色。
在光学领域，石墨烯可以用于制造超薄光学器件，如光调制器和光传感器。
石墨烯的单层结构使其具有优异的透明性，可以用于制作高效的光学器件。
此外，石墨烯的光学性质与其厚度有关，通过改变其厚度，可以调控其光学特性。
这种特性使得石墨烯在纳米光学和光电子学中有着广泛的应用前景。
在能源存储领域，石墨烯可以用于制造高性能的电池和超级电容器。
由于石墨烯的高载流子迁移率和大表面积，可以提高电池和超级电容器的性能。
此外，石墨烯还可以用于制造光伏电池和燃料电池，以提高其能量转换效率和稳定性。
除了石墨烯，还有其他一些具有独特性质的二维材料，如二硫化钼（MoS2）、二硒化钼（MoSe2）和石墨烯氮化物（Graphene nitride）。
这些材料具有不同的电子结构和性质，可以用于不同的应用。
例如，MoS2可以用于制造柔性电子器件和光电探测器，而Graphene nitride具有优异的气敏性能，可以用于制造气体传感器。
虽然二维材料在科学研究和应用中展现出了许多潜力，但目前仍面临一些挑战。
二维纳米材料范文
二维纳米材料范文二维纳米材料（two-dimensional nanomaterials）是一类具有二维特性的纳米材料，具有出色的性能和广泛的应用潜力。
它们由只有几十个原子乃至一个原子厚的单层材料组成，具有高度可调控性和可扩展性。
这一类材料在材料科学、纳米技术和电子器件等领域受到了广泛的关注。
二维纳米材料的最典型代表是石墨烯（graphene），它是由碳原子构成的单层二维结构，具有出色的导电性和机械性能。
石墨烯不仅具有高电导率，还具有优异的热导率、机械强度和柔韧性。
因此，它在电子器件、能源储存、传感器、透明导电薄膜等领域有着广泛的应用。
此外，二维纳米材料还包括二硫化钼（molybdenum disulfide）、二硫化钨（tungsten disulfide）等过渡金属二硫化物材料。
这些材料具有优异的光学和电子特性，可用于光电器件、催化剂、传感器等领域。
二维纳米材料的制备方法主要有机械剥离、化学气相沉积、溶液法、热剥离等。
其中，机械剥离是最早的制备方法，通过用胶带对固体材料进行多次剥离得到单层材料。
化学气相沉积则是通过在高温下，以特定化合物为前驱体，在衬底上进行化学反应制备出二维纳米材料。
溶液法则通过将材料分散到溶液中，然后在衬底上进行沉积和转移得到二维纳米材料。
然而，二维纳米材料也面临一些挑战。
首先，二维纳米材料的制备需要高度精确的控制条件，如温度、压力和浓度等。
其次，由于材料的表面积大幅缩小，其稳定性和可靠性仍然是一个挑战。
此外，二维纳米材料的大规模制备和集成技术也需要进一步研究和发展。
综上所述，二维纳米材料作为一类新兴的纳米材料，具有出色的性能和广泛的应用潜力。
通过研究和开发这些材料，将有助于开拓新的领域和应用，推动纳米技术的进一步发展。
石墨烯纳米材料的制备与应用
石墨烯纳米材料的制备与应用石墨烯是一种由碳原子组成的一层厚度非常薄的二维碳材料，它具有极高的强度和导电性，也拥有许多其他令人惊奇的特性。
因此，石墨烯被广泛应用于生物学、电子学、光学、催化和其他领域的研究。
而在石墨烯的制备和应用中，纳米材料也扮演着十分重要的角色。
一、石墨烯的制备方式目前，石墨烯的制备方法主要分为机械剥离法、化学气相沉积法、化学剥离法、去氧还原法和电化学法五种。
而其中，化学气相沉积法和化学剥离法是较为常用的两种方法。
化学气相沉积法是利用化学反应在基底上沉积石墨烯薄膜。
该方法可以得到单晶石墨烯，薄膜质量较好，但生产难度较高，且设备成本高。
化学剥离法是指采用各种方法在各种材料表面制备石墨烯的一种技术。
该方法成本较低，操作简单，但是石墨烯质量较差，难以控制其层数和晶体质量。
二、石墨烯纳米材料的制备方式目前，石墨烯纳米材料的制备方式主要包括机械法、物理法、化学法和生物学法四种。
机械法是指利用机械磨擦、高温等方法将石墨烯制备成纳米材料。
这种方法制备的纳米材料质量较高，但是生产效率较低，且成本较高。
物理法是指利用物理方法，如离子束雕刻、电子束雕刻等将石墨烯制备成纳米材料。
这种方法可以制备各种形状的纳米材料，但是成本较高，难度较大。
化学法是指利用化学反应将石墨烯制备成纳米材料。
这种方法操作简单，成本低廉，但是石墨烯质量较差，存在一定的毒性。
生物学法则是指利用生物学反应将石墨烯制备成纳米材料。
与化学法相比，该方法更为安全，但是生产效率较低，成本也较高。
三、石墨烯纳米材料的应用由于石墨烯纳米材料具有许多优异的特性，在各个领域都有广泛的应用。
在生物学领域中，石墨烯纳米材料可用于生物传感器的制备及生物医学成像等；在电子学领域中，石墨烯纳米材料可用于半导体材料、太阳能电池等的制备；在光学领域中，石墨烯纳米材料可制备光电器件；在化学领域中石墨烯纳米材料可用于催化反应。
此外，在纳米电子学中，石墨烯纳米材料还可以作为晶体管和其他电子元件的材料，其导电性及传输率远高于硅材料，这也为电子学的进一步发展提供了更广阔的空间。
石墨烯纳米材料
石墨烯纳米材料
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，具有许多出色的特性，如高
导热性、高机械强度和优异的电学特性。
由于这些特性，石墨烯被广泛认为是未来材料科学领域的一个重要研究方向。
首先，石墨烯的高导热性使其成为热管理领域的理想材料。
石墨烯的热导率非
常高，远远超过许多其他材料。
这使得石墨烯可以应用于电子设备和热管理系统中，提高设备的散热效率，从而延长设备的使用寿命。
其次，石墨烯的高机械强度使其成为一种理想的结构材料。
石墨烯的强度非常高，即使是单层石墨烯也可以承受很大的拉伸力。
这使得石墨烯可以应用于制备高强度的复合材料，用于航空航天和汽车等领域，提高材料的强度和耐久性。
另外，石墨烯的优异电学特性也为其在电子领域的应用提供了广阔的空间。
石
墨烯具有非常高的电子迁移率和热稳定性，使其成为一种优秀的导电材料。
这使得石墨烯可以用于制备高性能的电子器件，如场效应晶体管和光电探测器等。
总的来说，石墨烯作为一种纳米材料，具有许多出色的特性，使其在热管理、
结构材料和电子器件等领域都有着广阔的应用前景。
随着石墨烯制备技术的不断进步，相信石墨烯将会在未来的材料科学领域发挥越来越重要的作用。
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结合其优异的导电性，石墨烯宏观薄 膜是透明导电薄膜的首选材料，有望 取代氧化铟锡(Indium tin oxide, ITO) 、氧化锌(ZnO)等传统薄膜材料。 不同层数石墨烯的透射光谱
2、特性
力学特性
石墨烯强度高,性能可与金刚石媲美。 实测抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa。 石墨烯的强度极限(即抗拉强度)为42N/m。 普通用钢的强度极限大多在1 200MPa以下,即低于1.2×109N/m2。如果 钢具有同石墨烯一样的厚度(~0.34nm),则可推算出其二维强度极限约为 0.40N/m。由此可知,理想石墨烯的强度约为普通钢的100倍。 同时具有良好的柔韧性，可弯曲。
1、发现之路
既然早期的理论和实验都表明完美的二维结构不会在自由状态下存在，相比其他 卷曲结构如石墨颗粒、富勒烯和碳纳米管，其结构并不稳定，那么，为什么石墨 烯会从石墨上被成功剥离出来呢？
(a)HRTEM图像
(b)AFM图像
(c)模型图
在透射电子显微镜下(图a)发现悬浮的石墨烯层片上存在大量波纹结构，振幅大约为 1nm。石墨烯通过调整其内部碳-碳键长以适应热波动。因此，无论是独立自由存在 ，还是沉积在基底上，石墨烯其实都并不是一个百分之百平整的完美平面(图b)。 石墨烯是通过在表面形成褶皱或吸附其他分子来维持自身的稳定性。纳米量级的表 面微观粗糙度可能是二维晶体具有较好稳定性的根本原因。
A.K. Geim & K.S. Novoselov, The rise of graphene, Nat. Mater. 6, 183-191 (2007).
1、发现之路
盖姆在2010年的诺贝尔奖颁奖典礼上回顾了 石墨烯的发展史，认可了前人对薄层石墨的 早期研究工作。其中有部分工作早在20世纪 70年代就已经开始了。 其实，同盖姆和诺沃肖罗夫工作更接近的是 美国乔治亚理工学院的沃尔特德伊尔（Walt de Heer）关于SiC外延生长石墨烯的研究。 沃尔特德伊尔在2010年11月17日给诺贝尔奖 委员会写的一封公开信，并在一篇题为 “Early development of graphene electronics”的补充文章中详细综述了与石 墨烯相关的早期研究，并提供了自己在2003 年10月向美国自然科学基金委递交的一份与 石墨烯相关的基金申请书和2004年申请的一 项专利（Patterned thin film graphite devices and method for making same, 2006年获批: US7015142 B2) 。 2004年更早一篇关于石墨烯表征的论文
2、特性
电学特性
石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子 形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。 由于原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生挤 撞，石墨烯中的电子受到的干扰也很小。 电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁移率可达2×105cm2/ (V· s) ，约为硅中电子迁移率的140倍。 其电导率可达106S/m，是室温下导电性最佳的材料。
1、发现之路
怀特海（A.N.Whitehead）在评价爱因斯坦的狭义相对论时，谈到庞加莱 和洛伦兹的早期工作: ―科学史告诉我们: 非常接近真理和真正懂得其意义 是两回事。每一项重要的理论都有可能曾被前人提出过。”
Байду номын сангаас
因此，一项开创性成果应归功于那些做出原创性成果并深 刻认识该工作重大意义的人。
2005年，在同一期的“Nature”杂志上，盖姆等人和菲利普· 金小组同时 证明单层石墨烯具有同理论相符的电子特性。 这一点同碳纳米管的发现又一次不谋而合。 单壁碳纳米管也是在多壁碳纳米管被发现两年后于1993年被发现者本人 Iijima和IBM小组成功制备出来的。
1、发现之路
“二维结构”从想象到现实
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，其厚 度为0.335nm，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。电子显微 镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.142nm。
1、发现之路
Mather of all graphitic forms
Carbon Graphite C60 nanotube 石墨烯可看作是其他维数碳质材料的基本构建模块，它可以被包成 零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或堆叠成三维的石墨。
美国德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的罗德尼· 鲁夫 (Rodney Rouff,当时在华盛顿大学)曾尝试着将石墨在硅片上摩擦,并深信采 用这个简单的方法可获得单层石墨烯,但很可惜他当时并没有对产物的厚度 做进一步的测量。
美国哥仑比亚大学(Columbia University)的菲利普· 金(Philip Kim)也利用石 墨制作了一个“纳米铅笔”,在一个表面上划写,并得到了石墨薄片,层数最 低可达10层。
超高比表面积
2630m2/g
普通活性炭 ~1500m2/g
可用作超级电容器的电极材料
2、特性
光学特性
2008年，Nair等人发现石墨 烯在近红外和可见光波段具有极 佳的光透射性。他们将悬浮的石 墨烯薄膜覆盖在几十个μm量级的 孔洞上，发现单层石墨烯的透光 率可达97.7%，（吸收2.3%的可 见光，反射0.1%的可见光（可以 忽略）），高度透明，而且透光 率随着层数的增加呈线性减少的 趋势。
2、特性
电学特性
石墨烯是一种特殊能带结构的零带隙半导体材料。石墨烯的电子结构同三 维材料截然不同，其费米面呈6个圆锥形。无外加电场时，石墨烯的导带 和价带在狄拉克点(Dirac point)，即费米能级(Fermi level)处相遇。在负电 场作用下，费米能级移到狄拉克点之下，使大量空穴进入价带；而在正电 场作用下，费米能级则移到狄拉克点之上，使大量电子进入导带。
石墨烯三维能带结构图
双极性场效应
2、特性
电学特性
以单层石墨烯为例，其电子等载流子的有效质量*为零，而且可在室温下 显示出量子霍尔效应*。还会发生电阻值固定不会随距离变化的“无散射 传输”*现象。
*有效质量：指连接运动量与能量的方程式2阶微分时的系数。有效质量为零时， 载流子就会像“光”一样快速运动。同时有利于提高施加电压时的响应速度。而 相对于磁场的“回旋（Cyclotron)重量”则不会为零。 *量子霍尔效应：对电子二维分布的层（二维电子系统）施加强磁场时，电子轨道 及能量水平所取的值不相关（量子化）的现象。一般只能在极低温度环境下观测 到这种现象。常被用作半导体品质较高的证据。 *无散射传输：又称弹道传输（ballistic transport）。会在材料中的载流子平均自 由行程长度大于材料的尺寸，而且载流子处于相干状态时发生。会失去材料本身 的电阻，只会因用来施加电压的电极能带构造而产生电阻（量子化电阻）。与超 电导极为不同的是，不会发生阻断外部磁场的现象（迈斯纳效应）。
形象描述：
利用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4kg的兔子。 还有估算显示，如果重叠石墨烯薄片，使其厚度与食品保鲜膜相同的话 ，便可承载2吨重的汽车。
2、特性
热学特性
(1)石墨烯的导热率高达5300W/mK，是室温下铜的热导率 (400W/mK）的10倍多；比金刚石的热导率（1000-2200W/mK） 要高，和碳纳米管的上限5800W/mK相当;
1、发现之路
撕胶带法
Graphene films. (A) Photograph of a multilayer graphene flake with thickness ~3 nm on top of an oxidized Si wafer. (B) AFM image of 2 m by 2 m area of this flake near its edge (C) AFM image of single-layer grapheme. (D)SEM image of one of our experimental devices prepared from FLG. (E)Schematic view of the device in (D).
完美的二维晶体结构 无法在 非绝对零度稳定存在
1966年,大卫· 莫明(David Mermin)和 赫伯特· 瓦格纳(Herbert Wagner)提出 Mermin-Wagner理论,指出表面起伏会 破坏二维晶体的长程有序。
1、发现之路
实验物理学家及材料学家与理论物理学家不同, 他们不喜欢被理论所束缚。
2、特性
“量变引起质变”
因具有独特的单原子层二维晶体结构,石墨烯集多种优异特 性于一身,已远非石墨可比(1mm厚的石墨由3×106层石墨烯 堆叠而成),如低密度(面密度仅为0.77mg/m2)、超高的载流 子迁移率、电导率、热导率、强度等。
2、特性
密度
提取石墨烯中的一个正六边形碳环作为结构单元，由于每 个碳原子仅有1/3属于这个六边形，因此一个结构单元中的 碳原子数为2。六边形的面积为0.052 nm2。由此可计算出石 墨烯的面密度为0.77 mg/m2。
石墨烯介绍
目录
1、发现之路 2、特性简介
3、制备方法
4、表征方法 5、应用前景
1、发现之路
在过去的不到三十年的时间里，从零维的 富勒烯，一维的碳纳米管，到二维的石墨 烯不断被发现，新型碳材料不断吸引着世 界的目光。
1、发现之路
富勒烯在发现之前已经有很多科学家预测到球形 碳结构的存在，但是富勒烯却和很多科学家擦肩 而过。直到二十世纪八十年代科学家在模拟星际 尘埃的实验中意外发现了完美对称的球形分子— C60。
可以说,他们离石墨烯的发现仅一步之遥,诺贝尔奖的史册有极大可能会因他 们的进一步工作而改写。命运之神最终没有眷顾他们,而是指向了大洋彼岸 的英国曼彻斯特大学的两位俄裔科学家。
1、发现之路