科學家都站在她肩膀看世界!84 歲碳奈米女王 Mildred Dresselhaus

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在矽被用來作為地名(矽谷)之前,這個元素可是必須打敗許多的對手才得到如今首要半導體科技所倚賴的地位。這樣的競爭大概發生在 50、60 年代,而如今,碳元素也處在了類似的位置;以碳為基礎的科技正在轉型的邊緣,同時以碳為基礎技術也正在快速增進電池的蓄電容量。

目前,研究者已經使用這些科技開發出了紙片薄的電池、不會破碎的觸控螢幕、以及 TB 速度的無線網路。而在更遠的理想當中,碳還能夠做到如太空電梯讓海水能夠飲用的過濾器、生理器官、以及可移植的神經細胞。

不論從碳谷(Carbon Valley)會發展出什麼樣的奇蹟,這些碳科技的研究者勢必會考慮到其領域的創始者—Mildred Dresselhaus。這個 MIT 的物理及工程學家自從 60 年代早期就已經開始為奈米級的碳纖維板、碳素晶格、炭質開關接點、以及高含量碳精金屬線的研究打下基礎。未來的工程師將會轉變這些以碳為基礎的材料,如石墨烯,進入能夠利用電腦計算的下個階段。

在半世紀的辛勤研究之後,她已累積不少的嘉許。去年 11 月,美國總統歐巴馬就在白宮的儀式當中頒予其總統自由勳章,也就是對於美國公民最高的榮譽。歐巴馬更說到:「她的影響就在我們生活的周遭,如我們所開的車、所使用的能源、讓我們生活更便利的電子產品……等等。」

今年六月,電機電子工程師學會(IEEE)更會頒予 Dresselhaus 最高的榮譽 — IEEE 榮譽獎章,來嘉許其在許多科學與工程學上的領域之領導地位與貢獻。她是這個榮譽獎項接近一百年歷史當中的首位女性受獎人

Dresselhaus 為所有渴望開發碳計算研究的後人開闢了一條一條道路,而在她 84 年的人生道路上,目標都相當明顯。但是卻被這個混沌的世界所阻礙,因為「我們」無法接納這位同時又是關心、體貼的良師益友、以及四個孩子的媽(如今是五個小孩的祖母)的傑出科學家。

  • 回首過去,這位傑出科學家的學習經歷並不輕鬆

作為窮困東歐移民者之女,Dresselhaus(née Spiewak)回憶孩提時的記憶,她當時唯一夢想的工作就是學校教職。這在當時都是有點困難的,畢竟在她所居住的地方,那兒的小孩以及她在 Bronx 區上的小學同學大多對學業都沒什麼興趣。但某個神秘的力量介入了,那就是音樂。

她的祖父與外祖父在她父親過去位於波蘭的小村莊 Dzialoszyce 中都是擔任唱詩班的領唱者。所以當她的兄弟 Irving 在四歲的年紀就開始拉小提琴時並不讓人太過訝異。她們的父母讓她的哥哥在紐約著名的音樂學校 Greenwich House 得到了獎學金的資格;而當 Mildred 四歲或五歲時也同樣在這間學校念音樂,雖然在 13 歲就不再繼續於 Greenwich House 上課,她卻從來沒有放棄她的小提琴。Dresselhaus 仍然每天都拉小提琴。

而正是音樂讓她在 Greenwich House 遇到了更有野心的同儕。在 1934 或 35 年進入學校的不久,她就領悟到了教育的重要性,也是她在音樂學校學到最重要的一件事。

她大概也會想在幾年後追隨哥哥的腳步進入 Bronx 科學高中,但是在當時這間學校只招收男生。因此她便將眼光放在一間紐約的女子預備學校 Hunter College High School。當為了入學考試而念書時,她驚喜的發現原來數學對她來說是那麼容易。

「我的興趣是被我自願唸書所啟發的,也就是準備 Hunter 高中入學考試的那時候。」

  • 高中考試開啟了她的科學之路,也讓她一路堅持這條道路

在 Hunter 高中,她在數學與科學的成績優異到在高年級年鑑當中有一首詩是專門為了她而寫:「任何方程式她都能解開/任何問題都難不倒她/Mildred 等於聰明與有趣/在數學與科學沒有人比得上。」接著她繼續唸了 Hunter 大學,並且在第二年時有股重要的力量進入她的生活。

Rosalyn Yalow 教授的物理課讓我更專注在科學的專業上」Dresselhaus 談到她在 Hunter 最喜歡的一堂課。這堂由 1977 年生理與醫療學諾貝爾獎得主所教的課開啟了她的研究之路。「這是我真正開始的起點,Rosalyn 更堅持要我再繼續攻讀更高的學位。她是個能夠告訴你怎麼做的重要人物。」

藉著 Yalow 有效的推薦信,Dresselhaus 再 1951 年進入了 Radcliffe College 攻讀碩士,這也是後來她得到 Fulbright 獎學金進入劍橋大學的通行證。

Dresselhaus 解釋道:「Radcliffe 並沒有科學的課程。那些課是在 Harvard 上,而在 Radcliff 考試。女性當時也不和男性同場考試,我們必須在不同的房間完成試卷,是個相當複雜的狀況。」

她在 Harvard 的第一年,Dresselhaus 意識到自己感到有點疲倦,並對大學感到焦躁。她發現到全國最適合念物理的地方是芝加哥大學,也就是曼哈頓計畫參與者以及諾貝爾獎得主 Enrico Fermi 的故鄉。所以在 1953 年完成碩士學位後,她便出發前往伊利諾州。

  • 追尋物理之路,她毅然追隨諾貝爾獎前輩的腳步

在芝加哥,Dresselhaus 也常常是課堂中唯一的女性,但學習環境的確是好多了。她也提到是在芝加哥才讓她開始以物理學家的角度思考,而這都要多虧於 Fermi。雖然以參加曼哈頓計畫而出名,Fermi 仍然在小小的物理學系教書。以 Dresselhaus 抵達的 1953 年為例,物理系也不過 11 個學生而已。

Fermi 相當早起,Dresselhaus 也是,而他們又住在大學中的同一條路上,所以她和其他學生、職員一樣計算他們早上通勤時間,如此一來就能夠跟傳奇的物理學家一同步行。

Dresselhaus 說到:「他是個有條理的人,每天總是做一樣的事情;以早晨行走的例子來說,他會討論一些他所想到的東西,有時和課堂有關、有時候則無。當他講課時,會先把自己的筆記發給大家,他希望大家能夠聆聽而不要同時記下筆記。但他發下來的筆記可以說是相當簡潔,並沒有多少頁。」

Fermi 在 1954 年的 11 月去世,也就是 Dresselhaus 在芝加哥的第二年,但仍然對她造成了相當大的影響。「他在我身上建立了一種心態,那就是對任何事都保持興趣,因為我們永遠不知道下一個科學的重大突破會在什麼時候發生。

1955 年的秋天,Dresselhaus 開始了其博士的研究計畫:超導體在磁場中的微波性。在她新奇、混雜的研究中—牽涉到低溫、固態物理學、電機工程、材料科學等—代表者她不能只是從期刊中找出她需要的部分。

她倒是在大學的足球場上找到了所需要的,也就是幾年前 Fermi 帶領團隊創造出世界上首個人造核分裂連鎖反應的地方。在那裡,有許多剩下的器材供大家拿取,藉著這些材料,她為實驗打造出了超導體線材、建立微波設備、甚至製造出了液化氦。

Dresselhaus 說到她的發展如此破例,都是因為有了個糟糕的小學老師。「如果你想學什麼東西,就必須要自己去學,這是個很好的訓練過程。」

  • 婚後,一路輾轉最終她落腳 MIT 實驗室

在芝加哥,她也遇見了未來的丈夫—碩士同袍 Gene Dresselhaus—他們在 1958 年結婚並搬到紐約的 Ithaca,她在國家科學組織工作;Gene 則在 Cornell 大學的物理系擔任職務。在那裡,遇見了另一個知名的科學家 Richard Feynman,當時他正在發展後來成為電動力學量子理論的方程式。

「他常常在講課,而且是講一些我們聽過的東西,但卻已完全不同的角度來思考。」

同樣在 1959 年,Dresselhauses 迎來了第一個小孩—Marianne。而雖然常常參與 Feynman 激勵人心的課堂,Cornell 大學在當時並不是女性追求學士的夢幻場所。

因此在 1960 年,Dresselhauses 和丈夫便到了 MIT 的林肯實驗室。她也開始將石墨和鉍的磁性與光學性質取代了超導體作為研究主題。她也提到當時這個領域並不熱門也不競爭,因此給了她空間能同時撫養四個小孩。然而到了 1964 她也面臨了職涯上的困難。

一個林肯實驗室的同事 H. Eugene Stanley 回憶道在 Dresselhaus 在 1964 年生下最年輕的小孩 Eliot 之後:

「當她生下了第四個小孩,便在隔一天就把他帶到實驗室。但是林肯實驗室是政府的實驗室,除非你有許可證或拿過獎章,不然是不能把孩子帶進來的,那天她非常生氣,我不常見到她生氣。」

1967 年,Dresselhaus 從林肯實驗室移到了另一個 MIT 的機構,接受了電子工程學訪問教授的職位,接著那一年則變成永久職位的工作。1983 年更被委任教導物理學。

Dresselhaus:「當我首次來到 MIT,物理系似乎只對高能量物理有興趣」她又說道更多日常見到的物理學領域從材料科學、到工程學在當時都沒有受到重視,現在的光景則完全不一樣了,當時同時擁有物理與工程學背景的人可說是相當少。

  • 也是在 MIT 的日子裡,她開始了她最鍾愛的主題「碳」

在一個劍橋下大雪的日子,Dresselhaus 在 MIT 的實驗室中研究她最喜歡的主題:「想像看看一整張的碳原子,也就是石墨。碳的晶體結構有著自然界最強大的平面合力,但若不在平面則相當脆弱。鉛筆的石墨能夠輕易的剝下而不會破碎,但卻仍然能夠緊抓住纖維般的表面,如紙。單獨的石墨曾就如鑽石一般堅硬,但是一個群體,他們就如千層酥一般脆弱。」

從 60 年到到 80 年代,Dresselhaus 和其研究生不斷地在找尋石墨與碳的層間化合物之特性——運用石墨平面當中夾著溴與鉀原子,這樣的效果就如同在麵包之間塗上橄欖油。她的團隊也為發現並開發奈米科技材質,如超細小碳球體巴克明斯特富勒烯、以及管狀的碳通道—奈米碳管、以及一個原子厚度的平面—石墨烯。

這些碳結構的不同組合能夠創造出比合成纖維克維拉更強的韌性,還能夠、過濾海水中的鹽分;甚至是生物學上的植入管,能夠給予脊椎受到嚴重損害或氣乖損壞的病人新希望。在電池中用做電極,石墨烯與奈米碳管有希望作為終極的能源儲存系統,他們的充電容量比傳統的電池來的大,並且充電時間更短。

作為下個世代電子的可能基質,石墨烯如今有幾個對手出現。它的高傳導性(比銀佳)以及單原子厚度使得強健、分子大小的石墨烯電路元件將會加快計算速度。Dresselhaus:「碳並沒有要取代矽,它能做出更不同的東西。」

  • 到現在 80 歲了,Dresselhaus 也仍堅持不懈每天進去實驗室

雖然已經高齡 80 幾歲,Dresselhaus 還是每天都會進出 MIT 的辦公室,包括了假日與週末,常常最早就是六點,她對於工作的熱情似乎是從未削減的。「我對於現在的研究相當興奮也還未焦慮到不想工作。」

除了現階段的研究工作,Dresselhaus 也教導年輕學子,特別是希望在科學、科技、工程、數學等領域(合稱 STEM)展開事業的女性。已經帶過超過 60 個博士生,以及其他數不清的大學生。

在哈佛與林肯實驗室的前同事 Laura Roth 說道:「有一次她和我聊到一個相當優秀的博士生 Shirley Ann Jackson ,而如今她已是以色列理工學院的校長。」

MIT 機械工程系的主任 Gang Chen 則提到:「在我的團隊當中有 4 個女性是受到 Mildred 協助的。在許多場合之下,Mildred 也自願和我的女性學生面談,給予他們個人的職涯建議。」

Chen 更補充道:「一方面首位女性得到 IEEE 榮譽獎似乎有點太晚了;另一方面,似乎沒有人比 Mildrede 更適合得到這個獎了,她定下了一個很高的門檻,我想她接受這樣的殊榮勢必會激勵更多的女性在 IEEE 有更高的達成。」

(圖片、資料來源:Spetrum.ieee.org

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