在忍受了漫長(zhǎng)的寒潮低之后，前幾天北京終于迎來(lái)了初雪，小編的挨也終于有了回報(bào)，不必從朋友圈“云玩雪”了不能玩雪的挨凍是沒(méi)有義的?。。ㄕ鹇暎┪锢?雪景 | 攝影：黃水機(jī)除了白皚皚的雪景，獨(dú)山拿出一片雪花來(lái)欣賞，是一幅美麗的圖案。單的雪花也是美麗的圖案 | 圖片來(lái)源：pixabay等等，為什么提到雪花都是正面看到的圖？為什么鮮有從側(cè)面觀雪花的視角？難道雪花是二次元？！01、雪花：努力長(zhǎng)成炫酷模樣巫抵們將目光投向雪花的圖，就會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)雪花種類遠(yuǎn)超出人類的想象早在上世紀(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)字不斷增加，到 2013 年，雪花已經(jīng)有了 121 種分類。當(dāng)然 121 種分類過(guò)于復(fù)雜，對(duì)于一般賞雪與研究來(lái)說(shuō)，下圖列出的 35 種雪花的分類便足夠具有代表性35 種雪花類型 | 圖片來(lái)源：snowcrystals.com很少有資料提到雪花的厚，但我們可以簡(jiǎn)單計(jì)算到這一數(shù)據(jù)。雪花的直通常在 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。徑是厚度的 200 倍，難怪在研究雪花時(shí)通不考慮側(cè)面。當(dāng)然這也是絕對(duì)的，例如在上面出的 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，在這些雪花雪花的厚度也是不可忽的。在這么多形狀中，常見的形狀還是六角星。這個(gè)六角星形的形狀不是隨便來(lái)的，它與水子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。一個(gè)水子由一個(gè)氧原子和兩個(gè)原子構(gòu)成，兩條鍵有一的角度。當(dāng)水分子組合晶體時(shí)，水分子的氧原會(huì)與其他水分子的氫原形成氫鍵，這種氫鍵結(jié)決定了水分子組成的晶，宏觀上表現(xiàn)為六角星。當(dāng)飽含水蒸氣的空氣到低溫環(huán)境時(shí)，其中的蒸氣就會(huì)以空氣中的塵為核心發(fā)生聚集，這樣塵埃就是成核點(diǎn)。水蒸首先發(fā)生液化變?yōu)樾∫?，這也就是雨水的起源如果溫度足夠低，小液會(huì)凝固成為小的冰晶，晶首先是六棱柱的形狀棱上冰晶生長(zhǎng)速度更快最終就形成了六角星形雪花落下。真實(shí)的雪晶長(zhǎng)過(guò)程 | 圖片來(lái)源：參考資料 1在這個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，由于氫鍵配對(duì)影響，水分子更傾向于平結(jié)合，因此雪晶會(huì)在向生長(zhǎng)比較快，縱向比慢，形成非常薄的六角形晶體。02、石墨烯：生來(lái)就在二次元雪花雖很薄，但仍有十幾個(gè)微的厚度，大約是幾萬(wàn)個(gè)子的量級(jí)，考慮到現(xiàn)在以通過(guò) STM 直接操縱單個(gè)原子，雪花顯然可以在縱向上進(jìn)一步分，不是真正的“紙片雪。（順便一提，標(biāo)準(zhǔn) A4 紙的厚度是 0.104mm，如果按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)那大部分雪花都石夷以是“紙片雪”；而反過(guò)說(shuō)，紙片還是太厚了，以以后請(qǐng)不要再說(shuō)你們二次元老婆是“紙片人了。手動(dòng)狗頭）考慮到在大型加速器的制造難，我們可以認(rèn)為單個(gè)原直徑就是材料尺寸的最量級(jí)。那如果說(shuō)一種材只有一個(gè)原子的厚度，面積上又很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超厚度的量級(jí)，那這種材豈不就是二維材料？二材料存在嗎？當(dāng)然，比 —— 石墨烯（Graphene）。話說(shuō)在 2004 年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的 Geim 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用膠帶將墨反復(fù)粘貼折疊，最后可以得到僅僅只有一層原子的材料，他們將其名為石墨烯。這一新材的發(fā)現(xiàn)開辟了材料學(xué)研的新方向 —— 二維材料。時(shí)至今日，二維材的研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化仍在斷進(jìn)行。石墨烯最常見制備方法就是前面提到，利用膠帶對(duì)石墨晶體接進(jìn)行剝離的機(jī)械剝離。這一方法簡(jiǎn)單快捷，到的石墨烯面積大，實(shí)石墨烯薄膜研究必備技。（有條件的小伙伴也以在家中嘗試，只需要網(wǎng)上購(gòu)買一顆石墨單晶然后用膠帶撕下一小片，對(duì)膠帶反復(fù)折疊最后在硅片上，放到光鏡下可以看到比較薄的石墨。）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)械剝離法從石墨晶體出發(fā)得到了單層的石墨烯，一種“自上而下”的制方法。除了機(jī)械剝離法外，還有液相剝離法同于自上而下制備法。“上而下”制備法原理在，不同石墨烯層之間的互作用是范德瓦爾斯相作用，而同一石墨烯層的碳原子之間是通過(guò)共鍵結(jié)合。高中化學(xué)知識(shí)訴我們，共價(jià)鍵的強(qiáng)度強(qiáng)于范德瓦爾斯相互作。因此可以通過(guò)破壞層相互作用的方式，從石晶體剝離得到單層的石烯。既然有“自上而下的方法，那自然就有“下而上”方法。所謂“下而上”，便是從單個(gè)原子出發(fā)，不斷結(jié)合其碳原子，在襯底上橫向大面積，最終長(zhǎng)成單層墨烯薄膜。（因?yàn)檫@一程材料慢慢變大，就好在長(zhǎng)大一樣，所以實(shí)驗(yàn)里制備材料常常叫做“材料”。）石墨烯生長(zhǎng)意圖，其生長(zhǎng)可以分為個(gè)階段：成核 —— 島生長(zhǎng) —— 島連接 —— 厚度增加。?那么石墨烯為什么會(huì)吸引這么人去研究呢？當(dāng)然是因它有著優(yōu)秀的性質(zhì)。比說(shuō)它是已知強(qiáng)度最高的料之一，并且有很好的性；它的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性非常良好，在熱、電領(lǐng)有廣闊的應(yīng)用前景；從帶的角度來(lái)看，石墨烯著狄拉克錐這一特殊的帶結(jié)構(gòu)，可以作為研究子霍爾效應(yīng)的平臺(tái)。03、二向箔：維度不是愛，想買就能買“在二維的過(guò)程中，三維物體上每個(gè)點(diǎn)都按照精確的幾規(guī)則投射到二維平面上以至于這個(gè)二維體成為三維太空艇和三維人體兩張最完整最精確的圖，其所有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都平面上排列出來(lái)，沒(méi)有何隱藏，但其映射規(guī)程工程制圖完全不同，從覺(jué)上很難憑想象復(fù)制原的三維形狀。”二向箔最詩(shī)意的名字帶給人們大的震撼，直接對(duì)宇宙維度進(jìn)行操縱，實(shí)現(xiàn)真的“降維打擊”?！度?》一書中詳細(xì)描述了在向箔作用下，太陽(yáng)系進(jìn)二維化的過(guò)程，這一小開頭段落便是其中一個(gè)段。那么現(xiàn)在二維材料展到哪一步了，人類距“二向箔”還有多遠(yuǎn)呢正如之前所言，現(xiàn)在的維材料大多通過(guò)“自上下”或“自下而上”方制備得到。像二向箔這直接進(jìn)行降維的方式是類現(xiàn)有理論和技術(shù)都無(wú)實(shí)現(xiàn)的。從發(fā)現(xiàn)石墨烯始，目前二維材料的發(fā)主要集中于制備、表征應(yīng)用領(lǐng)域。至今已經(jīng)發(fā)了六方氮化硼、過(guò)渡金硫族化合物、主族金屬族化合物、硅烯、鍺烯多種二維材料，在高頻體管、場(chǎng)效應(yīng)管以及高發(fā)光及光電探測(cè)器等應(yīng)上取得了重要的突破。是這距離二維材料的成應(yīng)用還很遠(yuǎn)，更別說(shuō)二箔了。正如石墨烯之父 Geim 在前不久的采訪中說(shuō)的：“市場(chǎng)上有百上千這樣的所謂‘石烯產(chǎn)品’，但我認(rèn)為從實(shí)意義上來(lái)說(shuō)，它們并是革命性的、顛覆性的品，石墨烯在其中發(fā)揮作用，但還沒(méi)有驚人到了石墨烯就不行的地步”當(dāng)人類能夠熟練制作封裝以及使用二向箔時(shí)人類或許就能達(dá)到歌者明那樣的科技水平，以間為劍，以時(shí)間為歌。我看到了我的愛戀我飛她的身邊我捧出給她的物那是一小塊凝固的時(shí)時(shí)間上有美麗的條紋摸來(lái)像淺海的泥一樣柔軟把時(shí)間涂滿全身然后拉我飛向存在的邊緣這是態(tài)的飛行我們眼中的星像幽靈星星眼中的我們像幽靈”——《三體》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，關(guān)于國(guó)東趙林，劉天生，邢杰，鴻鈞，周興江，黃元.新型機(jī)械解理方法在二維料研究中的應(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)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：樂(lè)子超?