用“廚藝”造新材料

趙君鵬

每個(gè)家庭都有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，它就是廚房。在這里，人們用剁、斬、片、切等刀法處理食材，再用煎、炒、烹、炸等技法，讓各種食材相互融合，繼而產(chǎn)生微妙的化學(xué)反應(yīng)，成為美味佳肴，來(lái)滿足味蕾。

這和科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里研發(fā)新材料的流程頗為相似。科學(xué)家研制新材料時(shí)，需要先將化學(xué)原料進(jìn)行分解，再把不同的元素混合在一起，通過(guò)各種方法促使它們產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而得到理想中的材料。事實(shí)上，科學(xué)家已經(jīng)運(yùn)用“廚藝”，成功地研發(fā)出許多新材料。

制造石墨烯考驗(yàn)“刀工”

二維晶體只有一個(gè)原子的厚度。長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為，完美的二維晶體無(wú)法在非絕對(duì)零度的環(huán)境中獨(dú)立存在。2004年，兩位英國(guó)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫以制作石墨烯為例，用一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法打破了人們?cè)械恼J(rèn)知。石墨是碳的一種同素異形體，它的結(jié)構(gòu)是平面層狀的，每一層都由碳原子以正六邊形緊密聚集形成蜂巢結(jié)構(gòu)。1毫米厚的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。

安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫先從石墨上剝離下石墨片，再將石墨片的兩面粘在特制膠帶上，撕開(kāi)膠帶，將石墨片分為兩層，如此反復(fù)，石墨片越分越薄，最終可以得到僅由一層碳原子組成的薄片，這就是石墨烯。石墨烯被稱為“新材料之王”，在已知的材料中，它是最薄的，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性最好，強(qiáng)度最大，應(yīng)用前景廣闊。這兩位科學(xué)家打破了舊認(rèn)知，制作出新材料，由此獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

盡管用“撕膠帶法”費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但這種方法在實(shí)驗(yàn)室中頗受科學(xué)家的歡迎，因?yàn)樗軐?shí)用?？茖W(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)用這種方法還獲得了二硫化鉬、二硫化鎢等二維材料?！八耗z帶法”的學(xué)名叫“機(jī)械剝離法”，它是不是讓你聯(lián)想到切土豆片、切文思豆腐的刀法？

制造晶體展示“拼盤(pán)”功夫

固相合成法是科學(xué)家研制新材料時(shí)常用的方法，其使用的原料大多呈粉末狀，這種形狀使得不同物質(zhì)的分子與分子之間有機(jī)會(huì)充分接觸。在整個(gè)過(guò)程中，無(wú)論是原料，還是成品都呈固態(tài)，猶如將不同的食材切碎混在一起做成拼盤(pán)。

科學(xué)家先在容器中按照一定比例加入兩種以上的原料，然后注入適量的無(wú)水乙醇或去離子水，通過(guò)機(jī)械球磨的方式使它們混合均勻，再將其壓縮成片狀加熱，讓不同物質(zhì)的分子與分子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。為了加快顆粒表層分子之間的離子擴(kuò)散速度，科學(xué)家要將片狀物球磨混合，之后再次將其壓縮成片進(jìn)行加熱，從而促使分子與分子不斷地發(fā)生反應(yīng)，生成新物質(zhì)。新物質(zhì)越來(lái)越多，就會(huì)堆積形成晶核，最終形成晶體，這就是科學(xué)家想要的新物質(zhì)。這個(gè)生產(chǎn)過(guò)程和制作豆腐干的過(guò)程是否有些相似？

新材料“出鍋”前也要“調(diào)味”

在菜肴出鍋前，人們會(huì)撒上調(diào)料，淋些明油，讓菜肴更加美味可口。在新材料成型前，科學(xué)家也會(huì)使用一些手段讓它更加適用。比如一些晶體中含有鐵，鐵離子可能存在于晶體層的間隙，從而改變晶體的磁性，影響其品質(zhì)；又如在燒結(jié)過(guò)程中，一些晶體可能由于供氧不足，導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)缺陷，影響使用效果?？茖W(xué)家會(huì)采取退火這一熱處理工藝來(lái)解決類(lèi)似問(wèn)題，先將新材料加熱到一定的程度，保持足夠的時(shí)間，再將其放置在低溫環(huán)境中讓它迅速冷卻，這樣就可以細(xì)化晶體，減少晶體內(nèi)部的缺陷。這種工藝既可以應(yīng)用于金屬，比如合金材料，又可以應(yīng)用于非金屬，如多晶硅太陽(yáng)能電池材料。

“何意百煉鋼，化為繞指柔？”運(yùn)用科學(xué)的方法就可以做到。科學(xué)不僅存在于設(shè)施先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和科學(xué)家研制的新材料中，也在千家萬(wàn)戶的廚房里，在每日相伴的人間煙火中。