在忍受了漫長(zhǎng)的潮低溫之后，前天北京終于是迎了初雪，小編的凍也終于有了回，不必再?gòu)呐笥?“云玩雪”了。能玩雪的挨凍是有意義的?。。?聲）物理所雪景 | 攝影：黃水機(jī)除了白皚皚的雪，單獨(dú)拿出一片花來欣賞，也是幅美麗的圖案。片的雪花也是美的圖案 | 圖片來源：pixabay等等，為什么提到雪花都是正看到的圖案？為么鮮有從側(cè)面觀雪花的視角？難雪花竟是二次元！01、雪花：努力長(zhǎng)成炫酷模樣人們將目光投向花的圖案，就會(huì)訝地發(fā)現(xiàn)雪花的類遠(yuǎn)超出人類的象。早在上世紀(jì) 30 年代，人們將雪花分為了 21 類，隨著時(shí)間的推移，這個(gè)數(shù)不斷增加，直到 2013 年，雪花已經(jīng)有了 121 種分類。當(dāng)然 121 種分類過于復(fù)雜，對(duì)于般的賞雪與研究說，下圖中列出 35 種雪花的分類便足夠具有表性。35 種雪花類型 | 圖片來源：snowcrystals.com很少有資料提到雪花的厚度但我們可以簡(jiǎn)單算得到這一數(shù)據(jù)雪花的直徑通常 0.05~4.6mm 之間，單個(gè)雪花的質(zhì)量在 0.2~0.5mg，考慮一片直徑 2mm、質(zhì)量為 0.4mg 的雪花，密度采用的密度 0.92g / cm3，其厚度大約是 0.01mm，還不到一根頭發(fā)絲的度。直徑是厚度 200 倍，難怪在研究雪花時(shí)常不考慮側(cè)面。然這也不是絕對(duì)，例如在上面列的 25 種雪花類型種，像是棱形（simple prisms）、并柱形（twin columns）以及骨架形（skeletal forms）等形狀都是三維形，在這些雪花中花的厚度也是不忽略的。在這么形狀中，最常見形狀還是六角星。這個(gè)六角星形形狀可不是隨便的，它與水分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。一個(gè)分子由一個(gè)氧原和兩個(gè)氫原子構(gòu)，兩條鍵有一定角度。當(dāng)水分子合成晶體時(shí)，水子的氧原子會(huì)與他水分子的氫原形成氫鍵，這種鍵結(jié)構(gòu)決定了水子組成的晶體，觀上表現(xiàn)為六角形。當(dāng)飽含水蒸的空氣遇到低溫境時(shí)，其中的水氣就會(huì)以空氣中塵埃為核心發(fā)生集，這樣的塵埃是成核點(diǎn)。水蒸首先發(fā)生液化變小液滴，這也就雨水的起源；如溫度足夠低，小滴會(huì)凝固成為小冰晶，冰晶首先六棱柱的形狀，上冰晶生長(zhǎng)速度快，最終就形成六角星形的雪花下。真實(shí)的雪晶長(zhǎng)過程 | 圖片來源：參考資料 1在這個(gè)生長(zhǎng)過程中，由于氫鍵配的影響，水分子傾向于水平結(jié)合因此雪晶會(huì)在橫生長(zhǎng)比較快，縱比較慢，形成非薄的六角星形晶。02、石墨烯：生來就在二次元花雖然很薄，但有十幾個(gè)微米的度，大約是幾萬原子的量級(jí)，考到現(xiàn)在可以通過 STM 直接操縱單個(gè)原子，雪花然還可以在縱向進(jìn)一步分割，不真正的“紙片雪。（順便一提，準(zhǔn) A4 紙的厚度是 0.104mm，如果按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)那大部分雪都可以說是“紙雪”；而反過來，紙片還是太厚，所以以后請(qǐng)不再說你們的二次老婆是“紙片人了。手動(dòng)狗頭）慮到現(xiàn)在大型加器的制造難度，們可以認(rèn)為單個(gè)子直徑就是材料寸的最小量級(jí)。如果說一種材料有一個(gè)原子的厚，而面積上又很，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出厚度量級(jí)，那這種材豈不就是二維材？二維材料存在？當(dāng)然，比如 —— 石墨烯（Graphene）。話說在 2004 年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的 Geim 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用膠帶將石墨反粘貼折疊，最后可以得到僅僅只一層碳原子的材，他們將其命名石墨烯。這一新料的發(fā)現(xiàn)開辟了料學(xué)研究的新方 —— 二維材料。時(shí)至今日，二材料的研發(fā)以及業(yè)化仍在不斷進(jìn)。石墨烯最常見制備方法就是前提到的，利用膠對(duì)石墨晶體直接行剝離的機(jī)械剝法。這一方法簡(jiǎn)快捷，得到的石烯面積大，實(shí)乃墨烯薄膜研究必技能。（有條件小伙伴也可以在中嘗試，只需要網(wǎng)上購(gòu)買一顆石單晶，然后用膠撕下一小片來，膠帶反復(fù)折疊最按在硅片上，放光鏡下就可以看比較薄的石墨烯）利用機(jī)械剝離得到的單層石墨 | 圖片來源：參考資料 2機(jī)械剝離法從石墨晶出發(fā)，得到了單的石墨烯，是一“自上而下”的備方法。除了機(jī)剝離法之外，還液相剝離法同屬自上而下制備法“自上而下”制法原理在于，不石墨烯層之間的互作用是范德瓦斯相互作用，而一石墨烯層內(nèi)的原子之間是通過價(jià)鍵結(jié)合。高中學(xué)知識(shí)告訴我們共價(jià)鍵的強(qiáng)度遠(yuǎn)于范德瓦爾斯相作用。因此可以過破壞層間相互用的方式，從石晶體剝離得到單的石墨烯。既然“自上而下”的法，那自然就有自下而上”方法所謂“自下而上，便是從單個(gè)碳子出發(fā)，不斷結(jié)其他碳原子，在底上橫向擴(kuò)大面，最終長(zhǎng)成單層墨烯薄膜。（因這一過程材料慢變大，就好像在大一樣，所以實(shí)室里制備材料常叫做“長(zhǎng)材料”）石墨烯生長(zhǎng)示圖，其生長(zhǎng)可以為幾個(gè)階段：成 —— 島生長(zhǎng) —— 島連接 —— 厚度增加。?那么石墨烯為什會(huì)吸引這么多人研究呢？當(dāng)然是為它有著優(yōu)秀的質(zhì)。比如說它是知強(qiáng)度最高的材之一，并且有很的韌性；它的導(dǎo)、導(dǎo)電性能非常好，在熱、電領(lǐng)有廣闊的應(yīng)用前；從能帶的角度看，石墨烯有著拉克錐這一特殊能帶結(jié)構(gòu)，可以為研究量子霍爾應(yīng)的平臺(tái)。03、二向箔：維度不愛情，想買就能“在二維化的過中，三維物體上每個(gè)點(diǎn)都按照精的幾何規(guī)則投射二維平面上，以于這個(gè)二維體成原三維太空艇和維人體的兩張最整最精確的圖紙其所有的內(nèi)部結(jié)都在平面上排列來，沒有任何隱，但其映射規(guī)程工程制圖完全不，從視覺上很難想象復(fù)制原來的維形狀?！倍?，最詩意的名字給人們最大的震，直接對(duì)宇宙的度進(jìn)行操縱，實(shí)真正的“降維打”?！度w》一中詳細(xì)描述了在向箔作用下，太系進(jìn)行二維化的程，這一小節(jié)開段落便是其中一片段。那么現(xiàn)在維材料發(fā)展到哪步了，人類距離二向箔”還有多呢？正如之前所，現(xiàn)在的二維材大多通過“自上下”或“自下而”方法制備得到像二向箔這種直進(jìn)行降維的方式人類現(xiàn)有理論和術(shù)都無法實(shí)現(xiàn)的從發(fā)現(xiàn)石墨烯開，目前二維材料發(fā)展主要集中于備、表征與應(yīng)用域。至今已經(jīng)發(fā)了六方氮化硼、渡金屬硫族化合、主族金屬硫族合物、硅烯、鍺等多種二維材料在高頻晶體管、效應(yīng)管以及高效光及光電探測(cè)器應(yīng)用上取得了重的突破。但是這離二維材料的成應(yīng)用還很遠(yuǎn)，更說二向箔了。正石墨烯之父 Geim 在前不久的采訪中說的：“場(chǎng)上有成百上千樣的所謂‘石墨產(chǎn)品’，但我認(rèn)從現(xiàn)實(shí)意義上來，它們并不是革性的、顛覆性的品，石墨烯在其發(fā)揮了作用，但沒有驚人到?jīng)]了墨烯就不行的地?！碑?dāng)人類能夠練制作、封裝以使用二向箔時(shí)，類或許就能達(dá)到者文明那樣的科水平，以空間為，以時(shí)間為歌。我看到了我的愛我飛到她的身邊捧出給她的禮物是一小塊凝固的間時(shí)間上有美麗條紋摸出來像淺的泥一樣柔軟她時(shí)間涂滿全身然拉起我飛向存在邊緣這是靈態(tài)的行我們眼中的星像幽靈星星眼中我們也像幽靈”—《三體》參考料：https://mp.weixin.qq.com/s/VhcoI6Tfzd1uRnSvVxX8Ig?scene=25#wechat_redirect許宏，孟蕾，李楊，楊天，鮑麗宏，劉國(guó)，趙林，劉天生邢杰，高鴻鈞，興江，黃元.新型機(jī)械解理方法在維材料研究中的用.物理學(xué)報(bào)，2018, 67 (21): 218201. doi: 10.7498 / aps.67.20181636https://mp.weixin.qq.com/s/YuKDQSb8QPCg7u1XlNxqng本文來自微信公眾號(hào)：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：樂子超?