在忍受了漫長的寒潮低溫之后，
前幾天北京終于是迎來了初雪，
小編的挨凍也終于有了回報，
不必再從朋友圈“云玩雪”了。
不能玩雪的挨凍是沒有意義的?。。ㄕ鹇暎?/p>
除了白皚皚的雪景，
單獨拿出一片雪花來欣賞，
也是一幅美麗的圖案。
等等，
為什么提到雪花都是正面看到的圖案？
為什么鮮有從側(cè)面觀察雪花的視角？
難道雪花竟是二次元？！
01、雪花：努力長成炫酷模樣
當人們將目光投向雪花的圖案，就會驚訝地發(fā)現(xiàn)雪花的種類遠超出人類的想象。早在上世紀 30 年代，人們將雪花分為了 21 類，隨著時間的推移，這個數(shù)字不斷增加，直到 2013 年，雪花已經(jīng)有了 121 種分類。
當然 121 種分類過于復(fù)雜，對于一般的賞雪與研究來說，下圖中列出的 35 種雪花的分類便足夠具有代表性。
很少有資料提到雪花的厚度，但我們可以簡單計算得到這一數(shù)據(jù)。雪花的直徑通常在 0.05~4.6mm 之間，單個雪花的質(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。直徑是厚度的 200 倍，難怪在研究雪花時通常不考慮側(cè)面。
當然這也不是絕對的，例如在上面列出的 25 種雪花類型種，像是棱柱形（simple prisms）、并柱形（twin columns）以及骨架形（skeletal forms）等形狀都是三維形狀，在這些雪花中雪花的厚度也是不可忽略的。
在這么多形狀中，最常見的形狀還是六角星形。這個六角星形的形狀可不是隨便來的，它與水分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。一個水分子由一個氧原子和兩個氫原子構(gòu)成，兩條鍵有一定的角度。當水分子組合成晶體時，水分子的氧原子會與其他水分子的氫原子形成氫鍵，這種氫鍵結(jié)構(gòu)決定了水分子組成的晶體，宏觀上表現(xiàn)為六角星形。
當飽含水蒸氣的空氣遇到低溫環(huán)境時，其中的水蒸氣就會以空氣中的塵埃為核心發(fā)生聚集，這樣的塵埃就是成核點。水蒸氣首先發(fā)生液化變?yōu)樾∫旱?，這也就是雨水的起源；如果溫度足夠低，小液滴會凝固成為小的冰晶，冰晶首先是六棱柱的形狀，棱上冰晶生長速度更快，最終就形成了六角星形的雪花落下。
在這個生長過程中，由于氫鍵配對的影響，水分子更傾向于水平結(jié)合，因此雪晶會在橫向生長比較快，縱向比較慢，形成非常薄的六角星形晶體。
02、石墨烯：生來就在二次元
雪花雖然很薄，但仍有十幾個微米的厚度，大約是幾萬個原子的量級，考慮到現(xiàn)在可以通過 STM 直接操縱單個原子，雪花顯然還可以在縱向上進一步分割，不是真正的“紙片雪”。
（順便一提，標準 A4 紙的厚度是 0.104mm，如果按這個標準那大部分雪花都可以說是“紙片雪”；而反過來說，紙片還是太厚了，所以以后請不要再說你們的二次元老婆是“紙片人”了。手動狗頭）
考慮到現(xiàn)在大型加速器的制造難度，我們可以認為單個原子直徑就是材料尺寸的最小量級。那如果說一種材料只有一個原子的厚度，而面積上又很大，遠遠超出厚度的量級，那這種材料豈不就是二維材料？
二維材料存在嗎？當然，比如 —— 石墨烯（Graphene）。
話說在 2004 年，英國曼徹斯特大學(xué)的 Geim 團隊發(fā)現(xiàn)，利用膠帶將石墨反復(fù)粘貼折疊，最后就可以得到僅僅只有一層碳原子的材料，他們將其命名為石墨烯。這一新材料的發(fā)現(xiàn)開辟了材料學(xué)研究的新方向 —— 二維材料。時至今日，二維材料的研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化仍在不斷進行。
石墨烯最常見的制備方法就是前面提到的，利用膠帶對石墨晶體直接進行剝離的機械剝離法。這一方法簡單快捷，得到的石墨烯面積大，實乃石墨烯薄膜研究必備技能。
（有條件的小伙伴也可以在家中嘗試，只需要從網(wǎng)上購買一顆石墨單晶，然后用膠帶撕下一小片來，對膠帶反復(fù)折疊最后按在硅片上，放到光鏡下就可以看到比較薄的石墨烯。）
機械剝離法從石墨晶體出發(fā)，得到了單層的石墨烯，是一種“自上而下”的制備方法。除了機械剝離法之外，還有液相剝離法同屬于自上而下制備法。
“自上而下”制備法原理在于，不同石墨烯層之間的相互作用是范德瓦爾斯相互作用，而同一石墨烯層內(nèi)的碳原子之間是通過共價鍵結(jié)合。高中化學(xué)知識告訴我們，共價鍵的強度遠強于范德瓦爾斯相互作用。因此可以通過破壞層間相互作用的方式，從石墨晶體剝離得到單層的石墨烯。
既然有“自上而下”的方法，那自然就有“自下而上”方法。所謂“自下而上”，便是從單個碳原子出發(fā)，不斷結(jié)合其他碳原子，在襯底上橫向擴大面積，最終長成單層石墨烯薄膜。
（因為這一過程材料慢慢變大，就好像在長大一樣，所以實驗室里制備材料常常叫做“長材料”。）
那么石墨烯為什么會吸引這么多人去研究呢？當然是因為它有著優(yōu)秀的性質(zhì)。比如說它是已知強度最高的材料之一，并且有很好的韌性；它的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能非常良好，在熱、電領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景；從能帶的角度來看，石墨烯有著狄拉克錐這一特殊的能帶結(jié)構(gòu)，可以作為研究量子霍爾效應(yīng)的平臺。
03、二向箔：維度不是愛情，想買就能買
“在二維化的過程中，三維物體上的每個點都按照精確的幾何規(guī)則投射到二維平面上，以至于這個二維體成為原三維太空艇和三維人體的兩張最完整最精確的圖紙，其所有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都在平面上排列出來，沒有任何隱藏，但其映射規(guī)程與工程制圖完全不同，從視覺上很難憑想象復(fù)制原來的三維形狀?！?/p>
二向箔，最詩意的名字帶給人們最大的震撼，直接對宇宙的維度進行操縱，實現(xiàn)真正的“降維打擊”?！度w》一書中詳細描述了在二向箔作用下，太陽系進行二維化的過程，這一小節(jié)開頭段落便是其中一個片段。
那么現(xiàn)在二維材料發(fā)展到哪一步了，人類距離“二向箔”還有多遠呢？
正如之前所言，現(xiàn)在的二維材料大多通過“自上而下”或“自下而上”方法制備得到。像二向箔這種直接進行降維的方式是人類現(xiàn)有理論和技術(shù)都無法實現(xiàn)的。
從發(fā)現(xiàn)石墨烯開始，目前二維材料的發(fā)展主要集中于制備、表征與應(yīng)用領(lǐng)域。至今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了六方氮化硼、過渡金屬硫族化合物、主族金屬硫族化合物、硅烯、鍺烯等多種二維材料，在高頻晶體管、場效應(yīng)管以及高效發(fā)光及光電探測器等應(yīng)用上取得了重要的突破。
但是這距離二維材料的成熟應(yīng)用還很遠，更別說二向箔了。正如石墨烯之父 Geim 在前不久的采訪中說的：“市場上有成百上千這樣的所謂‘石墨烯產(chǎn)品’，但我認為從現(xiàn)實意義上來說，它們并不是革命性的、顛覆性的產(chǎn)品，石墨烯在其中發(fā)揮了作用，但還沒有驚人到?jīng)]了石墨烯就不行的地步?！?/p>
當人類能夠熟練制作、封裝以及使用二向箔時，人類或許就能達到歌者文明那樣的科技水平，以空間為劍，以時間為歌。
“我看到了我的愛戀
我飛到她的身邊
我捧出給她的禮物
那是一小塊凝固的時間
時間上有美麗的條紋
摸出來像淺海的泥一樣柔軟
她把時間涂滿全身
然后拉起我飛向存在的邊緣
這是靈態(tài)的飛行
我們眼中的星星像幽靈
星星眼中的我們也像幽靈”
——《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，鮑麗宏，劉國東，趙林，劉天生，邢杰，高鴻鈞，周興江，黃元.新型機械解理方法在二維材料研究中的應(yīng)用.物理學(xué)報，2018, 67 (21): 218201. doi: 10.7498 / aps.67.20181636
https://mp.weixin.qq.com/s/YuKDQSb8QPCg7u1XlNxqng
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：樂子超人
廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。