用“廚藝”造新材料

趙君鵬

每個家庭都有一個實驗室，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，繼而產生微妙的化學反應，成為美味佳肴，來滿足味蕾。

這和科學家在實驗室里研發新材料的流程頗為相似。科學家研制新材料時，需要先將化學原料進行分解，再把不同的元素混合在一起，通過各種方法促使它們產生化學反應，從而得到理想中的材料。事實上，科學家已經運用“廚藝”，成功地研發出許多新材料。

制造石墨烯考驗“刀工”

二維晶體只有一個原子的厚度。長期以來，人們認為，完美的二維晶體無法在非絕對零度的環境中獨立存在。2004年，兩位英國科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫以制作石墨烯為例，用一種簡單實用的方法打破了人們原有的認知。石墨是碳的一種同素異形體，它的結構是平面層狀的，每一層都由碳原子以正六邊形緊密聚集形成蜂巢結構。1毫米厚的石墨大約包含300萬層石墨烯。

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，撕開膠帶，將石墨片分為兩層，如此反復，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，導電性、導熱性最好，強度最大，應用前景廣闊。這兩位科學家打破了舊認知，制作出新材料，由此獲得2010年諾貝爾物理學獎。

盡管用“撕膠帶法”費時費力，但這種方法在實驗室中頗受科學家的歡迎，因為它很實用。科學家在實驗室中運用這種方法還獲得了二硫化鉬、二硫化鎢等二維材料。“撕膠帶法”的學名叫“機械剝離法”，它是不是讓你聯想到切土豆片、切文思豆腐的刀法？

制造晶體展示“拼盤”功夫

固相合成法是科學家研制新材料時常用的方法，其使用的原料大多呈粉末狀，這種形狀使得不同物質的分子與分子之間有機會充分接觸。在整個過程中，無論是原料，還是成品都呈固態，猶如將不同的食材切碎混在一起做成拼盤。

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

新材料“出鍋”前也要“調味”

在菜肴出鍋前，人們會撒上調料，淋些明油，讓菜肴更加美味可口。在新材料成型前，科學家也會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；又如在燒結過程中，一些晶體可能由于供氧不足，導致其內部出現缺陷，影響使用效果。科學家會采取退火這一熱處理工藝來解決類似問題，先將新材料加熱到一定的程度，保持足夠的時間，再將其放置在低溫環境中讓它迅速冷卻，這樣就可以細化晶體，減少晶體內部的缺陷。這種工藝既可以應用于金屬，比如合金材料，又可以應用于非金屬，如多晶硅太陽能電池材料。

“何意百煉鋼，化為繞指柔？”運用科學的方法就可以做到。科學不僅存在于設施先進的實驗室內和科學家研制的新材料中，也在千家萬戶的廚房里，在每日相伴的人間煙火中。