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冰晶夹心之石墨烯三明治

发布日期:2015-06-01


石墨烯冰晶三明治示意图Credit:Joy

替1700年前的配角平反

谢太傅寒雪日内集,与儿女讲论文义。俄而雪骤,公欣然曰﹕「白雪纷纷何所似?」兄子胡儿曰:「撒盐空中差可拟。」兄女曰:「未若柳絮因风起。」公大笑乐。

在这段出自《世说新语》的文字中,谢太傅问到,白雪像什么呢?其姪子谢胡儿的说像是抓一把盐往天上撒,姪女谢道韬则回答像柳絮随风而起。论情境、论韵味、论文字之典雅,自然是谢道韬完胜。故事流传至今,后世也以「咏絮之才」来赞颂女性的文采。

然而,若以科学的角度观之,反而是沦为千年配角的谢胡儿说得正确些。

食盐和雪,都是无机物的固体,都是由规律排列的原子所组成的晶体,也都呈现澄澈透明的光学性质。原子在晶格中的排列方式会影响到物质的特性,盐晶的结构属立方晶系,冰晶则为六方晶系,因此盐晶总是呈现有棱有角的形状,而冰晶可幻化出绚丽的六角形雪花。

其实,冰晶可以幻化出的,可不只是六角形雪花而已。

上善若水

水是地球上极其普遍却也是极其神奇的物质,地表有70%被水覆盖、人体有70%的成份是水,水也是少数在自然环境下,同时存在固、液、气三态的物质。由于水是如此的重要,形态又如此多变,水常常是科学实验中的主角。


这张照片中,同时存在着水的液态、固态及气态(虽然水蒸气是透明的)credit: ravas51

人们对水分子结晶过程及形态的科学探索至今仍方兴未艾,下图显示温度及压力变化下所对应到的水的状态,罗马数字代表不同的冰晶结构,图中最大的编号为15,事实上,一份发表在2014年nature期刊上的研究论文,已将冰晶的编号推向第16号。除了六方晶系外,水分子也可能组成正交晶系、四方晶系或单斜晶系等晶体。

水的相图

图片来源:wiki (作者Yinweichen)

2010年诺贝尔物理奖得主安德烈•海姆(AK Geim)所属的研究团队,也在最新一期(2015年4月份)的nature期刊上发表了一篇论文,探讨前所未见的单层二维矩形冰晶。要产生这种薄薄的单层冰晶,必需在室温下对水分子施加高达10,000个大气压的压力。能达到这么大的压力,关键在「石墨烯」。

穿透式电子显微镜下的二维矩形冰晶

图片来源:nature期刊

感恩石墨烯、赞叹石墨烯

石墨烯是碳原子在蜂巢晶格结构下所形成的二维材料,层层堆叠于石墨中。人们原本无法将之从石墨中单独分离,直到2004年,曼彻斯特大学的安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫用胶带撕贴的方式成功地将石墨烯转至矽晶元表面上,才开启这类研究的新纪元,也让他们获得了2010年的诺贝尔奖。

石墨烯的蜂巢状晶格

图片来源:wiki (作者AlexanderAlUS)

自此后,石墨烯在许多研究中展现了另人惊艳的特性。包括高韧性(裂断强度是钢的100倍)、高导电度(电导率比铜高出35%)、高热传导率、高透明度及化学稳定性等等。石墨烯一时成为材料、电子、生物及能源等领域中的当红炸子鸡,连物理学家也把石墨烯特殊的锥状能带结构视为研究相对论量子力学的好所在。

2012年时,海姆教授的团队又查觉到一个与石墨烯有关的奇异现象。他们发现水分子对氧化石墨有很高的渗透率,水分子的穿透速度,甚至比体积更小的氦还高出10的10次方倍。于是他们进行了理论模拟,推测水分子在这些二维薄片及毛细管径间,会形成摩擦系数极低的单层的冰晶,故可几无阻碍地一溜而过。

有了理论模拟,他们开始进行实际的实验。上文所谓「对水分子施加高达10,000个大气压力」云云,其实就将水夹在两片石墨烯之间,形成一个三明治一般的构造。能产生那么大的压力,主要归功于与石墨烯相关的两个作用。

其一是「凡德瓦力」,即分子和分子间的电性引力,也是让隐形眼镜能贴合在眼球上的力量。凡德瓦力会随材料的接触面积增加而增加、也会随材料间的距离减少而增加。石墨烯的奈米结构让它拥有极高的比表面积,因此,当两片石墨烯靠近时,会产生极大的贴合力道。

其二是「疏水性」,讲到疏水性馆主脑海中浮现荷苞初放时,荷叶上水珠之可爱样貌;与其相对的是「亲水性」,就如纸张上的水所呈现的摊平状态。将水夹在疏水性材料的平面间,水珠会像个弹力球搬奋力抵抗而承受到压力;反之,夹在亲水性的平面之间时,不但不抵抗,还会拉拢两平面贴合在一起。

材料亲、疏水与否,取决于水分子中的氢键是否会因材料表面分子极化而与之相互吸引。石墨烯的表面是均匀且键结力强的蜂巢状晶格,让氢键在此几无落脚之地,故有高度的疏水性。因此,在石墨烯三明治中,凡德瓦力几尽都转为施加在水分子上的压力,将之压成二维矩形冰晶结构。

研究团队表示,这种含水的疏水性毛细管柱及平面也会存在于石墨以外的矿物之中,甚至是生物体内的通道蛋白与细胞膜间。因此此研究之价值除了在展现不同的冰晶结构外,亦有助于人们对相关问题的探索。

文章来源:泛科学






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