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在忍受了漫長(zhǎng)的寒潮溫之后，前幾天北京于是迎來(lái)了初雪，小的挨凍也終于有了回，不必再?gòu)呐笥讶Α?玩雪”了。不能玩雪挨凍是沒(méi)有意義的！（震聲）物理所雪景 | 攝影：黃水機(jī)除了白皚皚的雪景，單獨(dú)出一片雪花來(lái)欣賞，是一幅美麗的圖案。片的雪花也是美麗的案 | 圖片來(lái)源：pixabay等等，為什么提到雪花都是正看到的圖案？為什么有從側(cè)面觀察雪花的角？難道雪花竟是二元？！01、雪花：努力長(zhǎng)成炫酷模樣當(dāng)人將目光投向雪花的圖，就會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)雪的種類(lèi)遠(yuǎn)超出人類(lèi)的象。早在上世紀(jì) 30 年代，人們將雪花分為了 21 類(lèi)，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(lèi)。當(dāng)然 121 種分類(lèi)過(guò)于復(fù)雜，對(duì)于一般賞雪與研究來(lái)說(shuō)，下中列出的 35 種雪花的分類(lèi)便足夠具有表性。35 種雪花類(lèi)型 | 圖片來(lái)源：snowcrystals.com很少有資料提到雪花的厚度，但們可以簡(jiǎn)單計(jì)算得到一數(shù)據(jù)。雪花的直徑常在 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，密度采用冰的密度 0.92g / cm3，其厚度大約是 0.01mm，還不到一根頭發(fā)絲的厚度。直是厚度的 200 倍，難怪在研究雪花時(shí)常不考慮側(cè)面。當(dāng)然也不是絕對(duì)的，例如上面列出的 25 種雪花類(lèi)型種，像是棱形（simple prisms）、并柱形（twin columns）以及骨架形（skeletal forms）等形狀都是三維形狀，在這些雪中雪花的厚度也是不忽略的。在這么多形中，最常見(jiàn)的形狀還六角星形。這個(gè)六角形的形狀可不是隨便的，它與水分子的結(jié)有關(guān)。一個(gè)水分子由個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原構(gòu)成，兩條鍵有一定角度。當(dāng)水分子組合晶體時(shí)，水分子的氧子會(huì)與其他水分子的原子形成氫鍵，這種鍵結(jié)構(gòu)決定了水分子成的晶體，宏觀上表為六角星形。當(dāng)飽含蒸氣的空氣遇到低溫境時(shí)，其中的水蒸氣會(huì)以空氣中的塵埃為心發(fā)生聚集，這樣的埃就是成核點(diǎn)。水蒸首先發(fā)生液化變?yōu)樾?滴，這也就是雨水的源；如果溫度足夠低小液滴會(huì)凝固成為小冰晶，冰晶首先是六柱的形狀，棱上冰晶長(zhǎng)速度更快，最終就成了六角星形的雪花下。真實(shí)的雪晶生長(zhǎng)程 | 圖片來(lái)源：參考資料 1在這個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，由于氫鍵配的影響，水分子更傾于水平結(jié)合，因此雪會(huì)在橫向生長(zhǎng)比較快縱向比較慢，形成非薄的六角星形晶體。02、石墨烯：生來(lái)就在二次元雪花雖然很薄但仍有十幾個(gè)微米的度，大約是幾萬(wàn)個(gè)原的量級(jí)，考慮到現(xiàn)在以通過(guò) STM 直接操縱單個(gè)原子，雪花然還可以在縱向上進(jìn)步分割，不是真正的紙片雪”。（順便一，標(biāo)準(zhǔn) A4 紙的厚度是 0.104mm，如果按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)那部分雪花都可以說(shuō)是紙片雪”；而反過(guò)來(lái)，紙片還是太厚了，以以后請(qǐng)不要再說(shuō)你的二次元老婆是“紙人”了。手動(dòng)狗頭）慮到現(xiàn)在大型加速器制造難度，我們可以為單個(gè)原子直徑就是料尺寸的最小量級(jí)。如果說(shuō)一種材料只有個(gè)原子的厚度，而面上又很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出度的量級(jí)，那這種材豈不就是二維材料？維材料存在嗎？當(dāng)然比如 —— 石墨烯（Graphene）。話(huà)說(shuō)在 2004 年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué) Geim 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用膠帶將石墨反粘貼折疊，最后就可得到僅僅只有一層碳子的材料，他們將其名為石墨烯。這一新料的發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了材料研究的新方向 —— 二維材料。時(shí)至今日二維材料的研發(fā)以及業(yè)化仍在不斷進(jìn)行。墨烯最常見(jiàn)的制備方就是前面提到的，利膠帶對(duì)石墨晶體直接行剝離的機(jī)械剝離法這一方法簡(jiǎn)單快捷，到的石墨烯面積大，乃石墨烯薄膜研究必技能。（有條件的小伴也可以在家中嘗試只需要從網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)一石墨單晶，然后用膠撕下一小片來(lái)，對(duì)膠反復(fù)折疊最后按在硅上，放到光鏡下就可看到比較薄的石墨烯）利用機(jī)械剝離法得的單層石墨烯 | 圖片來(lái)源：參考資料 2機(jī)械剝離法從石墨晶出發(fā)，得到了單層的墨烯，是一種“自上下”的制備方法。除機(jī)械剝離法之外，還液相剝離法同屬于自而下制備法?！白陨?下”制備法原理在于不同石墨烯層之間的互作用是范德瓦爾斯互作用，而同一石墨層內(nèi)的碳原子之間是過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合。高中學(xué)知識(shí)告訴我們，共鍵的強(qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)于范德爾斯相互作用。因此以通過(guò)破壞層間相互用的方式，從石墨晶剝離得到單層的石墨。既然有“自上而下的方法，那自然就有自下而上”方法。所“自下而上”，便是單個(gè)碳原子出發(fā)，不結(jié)合其他碳原子，在底上橫向擴(kuò)大面積，終長(zhǎng)成單層石墨烯薄。（因?yàn)檫@一過(guò)程材慢慢變大，就好像在大一樣，所以實(shí)驗(yàn)室制備材料常常叫做“材料”。）石墨烯生示意圖，其生長(zhǎng)可以為幾個(gè)階段：成核 —— 島生長(zhǎng) —— 島連接 —— 厚度增加。?那么石墨烯為什會(huì)吸引這么多人去研呢？當(dāng)然是因?yàn)樗?優(yōu)秀的性質(zhì)。比如說(shuō)是已知強(qiáng)度最高的材之一，并且有很好的性；它的導(dǎo)熱、導(dǎo)電能非常良好，在熱、領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前；從能帶的角度來(lái)看石墨烯有著狄拉克錐一特殊的能帶結(jié)構(gòu)，以作為研究量子霍爾應(yīng)的平臺(tái)。03、二向箔：維度不是愛(ài)情，買(mǎi)就能買(mǎi)“在二維化過(guò)程中，三維物體上每個(gè)點(diǎn)都按照精確的何規(guī)則投射到二維平上，以至于這個(gè)二維成為原三維太空艇和維人體的兩張最完整精確的圖紙，其所有內(nèi)部結(jié)構(gòu)都在平面上列出來(lái)，沒(méi)有任何隱，但其映射規(guī)程與工制圖完全不同，從視上很難憑想象復(fù)制原的三維形狀?！倍?，最詩(shī)意的名字帶給們最大的震撼，直接宇宙的維度進(jìn)行操縱實(shí)現(xiàn)真正的“降維打”?！度w》一書(shū)中細(xì)描述了在二向箔作下，太陽(yáng)系進(jìn)行二維的過(guò)程，這一小節(jié)開(kāi)段落便是其中一個(gè)片。那么現(xiàn)在二維材料展到哪一步了，人類(lèi)離“二向箔”還有多呢？正如之前所言，在的二維材料大多通“自上而下”或“自而上”方法制備得到像二向箔這種直接進(jìn)降維的方式是人類(lèi)現(xiàn)理論和技術(shù)都無(wú)法實(shí)的。從發(fā)現(xiàn)石墨烯開(kāi)，目前二維材料的發(fā)主要集中于制備、表與應(yīng)用領(lǐng)域。至今已發(fā)現(xiàn)了六方氮化硼、渡金屬硫族化合物、族金屬硫族化合物、烯、鍺烯等多種二維料，在高頻晶體管、效應(yīng)管以及高效發(fā)光光電探測(cè)器等應(yīng)用上得了重要的突破。但這距離二維材料的成應(yīng)用還很遠(yuǎn)，更別說(shuō)向箔了。正如石墨烯父 Geim 在前不久的采訪(fǎng)中說(shuō)的：“場(chǎng)上有成百上千這樣所謂‘石墨烯產(chǎn)品’但我認(rèn)為從現(xiàn)實(shí)意義來(lái)說(shuō)，它們并不是革性的、顛覆性的產(chǎn)品石墨烯在其中發(fā)揮了用，但還沒(méi)有驚人到了石墨烯就不行的地?！碑?dāng)人類(lèi)能夠熟練作、封裝以及使用二箔時(shí)，人類(lèi)或許就能到歌者文明那樣的科水平，以空間為劍，時(shí)間為歌?！拔铱吹?我的愛(ài)戀我飛到她的邊我捧出給她的禮物是一小塊凝固的時(shí)間間上有美麗的條紋摸來(lái)像淺海的泥一樣柔她把時(shí)間涂滿(mǎn)全身然拉起我飛向存在的邊這是靈態(tài)的飛行我們中的星星像幽靈星星中的我們也像幽靈”—《三體》參考資料https://mp.weixin.qq.com/s/VhcoI6Tfzd1uRnSvVxX8Ig?scene=25#wechat_redirect許宏，孟蕾，李楊，楊天中，鮑麗，劉國(guó)東，趙林，劉生，邢杰，高鴻鈞，興江，黃元.新型機(jī)械解理方法在二維材料究中的應(yīng)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(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理環(huán)狗 （ID：cas-iop），作者：樂(lè)子超欽原