在忍受了漫長的寒潮溫之后，前幾天北京于是迎來了初雪，小的挨凍也終于有了回，不必再從朋友圈“玩雪”了。不能玩雪挨凍是沒有意義的！（震聲）物理所雪景 | 攝影：黃水機(jī)除了白皚皚的雪景，后稷獨出一片雪花來欣賞，是一幅美麗的圖案。片的雪花也是美麗的案 | 圖片來源：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：努力長成炫酷模樣當(dāng)人將目光投向雪花的圖，就會驚訝地發(fā)現(xiàn)雪的種類遠(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，隨著時間的推移，這個數(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，對于一般賞雪與研究來說，下中列出的 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，但們可以簡單計算得到一數(shù)據(jù)。雪花的直徑常在 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。直是厚度的 200 倍，難怪在研究雪花時常不考慮側(cè)面。當(dāng)然也不是絕對的，例如上面列出的 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，最常見的形狀還六角星形。這個六角形的形狀可不是隨便的，它與水分子的結(jié)有關(guān)。一個水分子由個氧原子和兩個氫原構(gòu)成，兩條鍵有一定角度。當(dāng)水分子組合晶體時，水分子的氧子會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，其中的水蒸氣會以空氣中的塵埃為心發(fā)生聚集，這樣的埃就是成核點。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凝固成為小冰晶，冰晶首先是六柱的形狀，棱上冰晶長速度更快，最終就成了六角星形的雪花下。真實的雪晶生長程 | 圖片來源：參考資料 1在這個生長過程中，由于氫鍵配的影響，水分子更傾于水平結(jié)合，因此雪會在橫向生長比較快縱向比較慢，形成非薄的六角星形晶體。02、石墨烯：生來就在二次元雪花雖然很薄但仍有十幾個微米的度，大約是幾萬個原的量級，考慮到現(xiàn)在以通過 STM 直接操縱單個原子，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，如果按這個標(biāo)準(zhǔn)那部分雪花都可以說是紙片雪”；而反過來，紙片還是太厚了，以以后請不要再說你的二次元老婆是“紙人”了。手動狗頭）慮到現(xiàn)在大型加速器制造難度，我們可以為單個原子直徑就是料尺寸的最小量級。如果說一種材料只有個原子的厚度，而面上又很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出度的量級，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）。話說在 2004 年，英國曼徹斯特大學(xué) Geim 團(tuán)隊發(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)開辟了材料研究的新方向 —— 二維材料。時至今日二維材料的研發(fā)以及業(yè)化仍在不斷進(jìn)行。墨烯最常見的制備方就是前面提到的，利膠帶對石墨晶體直接行剝離的機(jī)械剝離法這一方法簡單快捷，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)上購買一石墨單晶，然后用膠撕下一小片來，對膠反復(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)的碳原子之間是過共價鍵結(jié)合。高中學(xué)知識告訴我們，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，終長成單層石墨烯薄。（因為這一過程材慢慢變大，就好像在大一樣，所以實驗室制備材料常常叫做“材料”。）石墨烯生示意圖，其生長可以為幾個階段：成核 —— 島生長 —— 島連接 —— 厚度增加。?那么石墨烯為什會吸引這么多人去研呢？當(dāng)然是因為它有優(yōu)秀的性質(zhì)。比如說是已知強(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。03、二向箔：維度不是愛情，買就能買“在二維化過程中，三維物體上每個點都按照精確的何規(guī)則投射到二維平上，以至于這個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，沒有任何隱，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)行操縱實現(xiàn)真正的“降維打”?！度w》一書中細(xì)描述了在二向箔作下，太陽系進(jìn)行二維的過程，這一小節(jié)開段落便是其中一個片。那么現(xiàn)在二維材料展到哪一步了，人類離“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)降維的方式是人類現(xiàn)理論和技術(shù)都無法實的。從發(fā)現(xiàn)石墨烯開，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)，更別說向箔了。正如石墨烯父 Geim 在前不久的采訪中說的：“場上有成百上千這樣所謂‘石墨烯產(chǎn)品’但我認(rèn)為從現(xiàn)實意義來說，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，但還沒有驚人到了石墨烯就不行的地?！碑?dāng)人類能夠熟練作、封裝以及使用二箔時，人類或許就能到歌者文明那樣的科水平，以空間為劍，時間為歌?！拔铱吹?我的愛戀我飛到她的邊我捧出給她的禮物是一小塊凝固的時間間上有美麗的條紋摸來像淺海的泥一樣柔她把時間涂滿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，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：中科院物炎帝所 （ID：cas-iop），作者：樂子超靈恝