在忍受了漫长的寒潮低温之后，

前几天北京终于是迎来了初雪，

小编的挨冻也终于有了回报，

不必再从朋友圈“云玩雪”了。

不能玩雪的挨冻是没有意义的！！（震声）

物理所雪景 | 摄影：黄水机

除了白皑皑的雪景，

单独拿出一片雪花来欣赏，

也是一幅美丽的图案。

单片的雪花也是美丽的图案 | 图片来源：pixabay

等等，

为什么提到雪花都是正面看到的图案？

为什么鲜有从侧面观察雪花的视角？

难道雪花竟是二次元？！

01、雪花：努力长成炫酷模样

当人们将目光投向雪花的图案，就会惊讶地发现雪花的种类远超出人类的想象。早在上世纪 30 年代，人们将雪花分为了 21 类，随着时间的推移，这个数字不断增加，直到 2013 年，雪花已经有了 121 种分类。

当然 121 种分类过于复杂，对于一般的赏雪与研究来说，下图中列出的 35 种雪花的分类便足够具有代表性。

35 种雪花类型 | 图片来源：snowcrystals.com

很少有资料提到雪花的厚度，但我们可以简单计算得到这一数据。雪花的直径通常在 0.05~4.6mm 之间，单个雪花的质量在 0.2~0.5mg，考虑一片直径 2mm、质量为 0.4mg 的雪花，密度采用冰的密度 0.92g / cm³，其厚度大约是 0.01mm，还不到一根头发丝的厚度。直径是厚度的 200 倍，难怪在研究雪花时通常不考虑侧面。

当然这也不是绝对的，例如在上面列出的 25 种雪花类型种，像是棱柱形（simple prisms）、并柱形（twin columns）以及骨架形（skeletal forms）等形状都是三维形状，在这些雪花中雪花的厚度也是不可忽略的。

在这么多形状中，最常见的形状还是六角星形。这个六角星形的形状可不是随便来的，它与水分子的结构有关。一个水分子由一个氧原子和两个氢原子构成，两条键有一定的角度。当水分子组合成晶体时，水分子的氧原子会与其他水分子的氢原子形成氢键，这种氢键结构决定了水分子组成的晶体，宏观上表现为六角星形。

当饱含水蒸气的空气遇到低温环境时，其中的水蒸气就会以空气中的尘埃为核心发生聚集，这样的尘埃就是成核点。水蒸气首先发生液化变为小液滴，这也就是雨水的起源；如果温度足够低，小液滴会凝固成为小的冰晶，冰晶首先是六棱柱的形状，棱上冰晶生长速度更快，最终就形成了六角星形的雪花落下。

真实的雪晶生长过程 | 图片来源：参考资料 1

在这个生长过程中，由于氢键配对的影响，水分子更倾向于水平结合，因此雪晶会在横向生长比较快，纵向比较慢，形成非常薄的六角星形晶体。

02、石墨烯：生来就在二次元

雪花虽然很薄，但仍有十几个微米的厚度，大约是几万个原子的量级，考虑到现在可以通过 STM 直接操纵单个原子，雪花显然还可以在纵向上进一步分割，不是真正的“纸片雪”。

（顺便一提，标准 A4 纸的厚度是 0.104mm，如果按这个标准那大部分雪花都可以说是“纸片雪”；而反过来说，纸片还是太厚了，所以以后请不要再说你们的二次元老婆是“纸片人”了。手动狗头）

考虑到现在大型加速器的制造难度，我们可以认为单个原子直径就是材料尺寸的最小量级。那如果说一种材料只有一个原子的厚度，而面积上又很大，远远超出厚度的量级，那这种材料岂不就是二维材料？

二维材料存在吗？当然，比如 —— 石墨烯（Graphene）。

话说在 2004 年，英国曼彻斯特大学的 Geim 团队发现，利用胶带将石墨反复粘贴折叠，最后就可以得到仅仅只有一层碳原子的材料，他们将其命名为石墨烯。这一新材料的发现开辟了材料学研究的新方向 —— 二维材料。时至今日，二维材料的研发以及产业化仍在不断进行。

石墨烯最常见的制备方法就是前面提到的，利用胶带对石墨晶体直接进行剥离的机械剥离法。这一方法简单快捷，得到的石墨烯面积大，实乃石墨烯薄膜研究必备技能。

（有条件的小伙伴也可以在家中尝试，只需要从网上购买一颗石墨单晶，然后用胶带撕下一小片来，对胶带反复折叠最后按在硅片上，放到光镜下就可以看到比较薄的石墨烯。）

利用机械剥离法得到的单层石墨烯 | 图片来源：参考资料 2

机械剥离法从石墨晶体出发，得到了单层的石墨烯，是一种“自上而下”的制备方法。除了机械剥离法之外，还有液相剥离法同属于自上而下制备法。

“自上而下”制备法原理在于，不同石墨烯层之间的相互作用是范德瓦尔斯相互作用，而同一石墨烯层内的碳原子之间是通过共价键结合。高中化学知识告诉我们，共价键的强度远强于范德瓦尔斯相互作用。因此可以通过破坏层间相互作用的方式，从石墨晶体剥离得到单层的石墨烯。

既然有“自上而下”的方法，那自然就有“自下而上”方法。所谓“自下而上”，便是从单个碳原子出发，不断结合其他碳原子，在衬底上横向扩大面积，最终长成单层石墨烯薄膜。

（因为这一过程材料慢慢变大，就好像在长大一样，所以实验室里制备材料常常叫做“长材料”。）

石墨烯生长示意图，其生长可以分为几个阶段：成核 —— 岛生长 —— 岛连接 —— 厚度增加。 

那么石墨烯为什么会吸引这么多人去研究呢？当然是因为它有着优秀的性质。比如说它是已知强度最高的材料之一，并且有很好的韧性；它的导热、导电性能非常良好，在热、电领域有广阔的应用前景；从能带的角度来看，石墨烯有着狄拉克锥这一特殊的能带结构，可以作为研究量子霍尔效应的平台。

03、二向箔：维度不是爱情，想买就能买

“在二维化的过程中，三维物体上的每个点都按照精确的几何规则投射到二维平面上，以至于这个二维体成为原三维太空艇和三维人体的两张最完整最精确的图纸，其所有的内部结构都在平面上排列出来，没有任何隐藏，但其映射规程与工程制图完全不同，从视觉上很难凭想象复制原来的三维形状。”

二向箔，最诗意的名字带给人们最大的震撼，直接对宇宙的维度进行操纵，实现真正的“降维打击”。《三体》一书中详细描述了在二向箔作用下，太阳系进行二维化的过程，这一小节开头段落便是其中一个片段。

那么现在二维材料发展到哪一步了，人类距离“二向箔”还有多远呢？

正如之前所言，现在的二维材料大多通过“自上而下”或“自下而上”方法制备得到。像二向箔这种直接进行降维的方式是人类现有理论和技术都无法实现的。

从发现石墨烯开始，目前二维材料的发展主要集中于制备、表征与应用领域。至今已经发现了六方氮化硼、过渡金属硫族化合物、主族金属硫族化合物、硅烯、锗烯等多种二维材料，在高频晶体管、场效应管以及高效发光及光电探测器等应用上取得了重要的突破。

但是这距离二维材料的成熟应用还很远，更别说二向箔了。正如石墨烯之父 Geim 在前不久的采访中说的：“市场上有成百上千这样的所谓‘石墨烯产品’，但我认为从现实意义上来说，它们并不是革命性的、颠覆性的产品，石墨烯在其中发挥了作用，但还没有惊人到没了石墨烯就不行的地步。”

当人类能够熟练制作、封装以及使用二向箔时，人类或许就能达到歌者文明那样的科技水平，以空间为剑，以时间为歌。

“我看到了我的爱恋

我飞到她的身边

我捧出给她的礼物

那是一小块凝固的时间

时间上有美丽的条纹

摸出来像浅海的泥一样柔软

她把时间涂满全身

然后拉起我飞向存在的边缘

这是灵态的飞行

我们眼中的星星像幽灵

星星眼中的我们也像幽灵”

——《三体》

参考资料：

• https://mp.weixin.qq.com/s/VhcoI6Tfzd1uRnSvVxX8Ig?scene=25#wechat_redirect

• 许宏，孟蕾，李杨，杨天中，鲍丽宏，刘国东，赵林，刘天生，邢杰，高鸿钧，周兴江，黄元.新型机械解理方法在二维材料研究中的应用.物理学报，2018, 67 (21): 218201. doi: 10.7498 / aps.67.20181636

• https://mp.weixin.qq.com/s/YuKDQSb8QPCg7u1XlNxqng

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：乐子超人

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