用“厨艺”造新材料

赵君鹏

每个家庭都有一个实验室，它就是厨房。在这里，人们用剁、斩、片、切等刀法处理食材，再用煎、炒、烹、炸等技法，让各种食材相互融合，继而产生微妙的化学反应，成为美味佳肴，来满足味蕾。

这和科学家在实验室里研发新材料的流程颇为相似。科学家研制新材料时，需要先将化学原料进行分解，再把不同的元素混合在一起，通过各种方法促使它们产生化学反应，从而得到理想中的材料。事实上，科学家已经运用“厨艺”，成功地研发出许多新材料。

制造石墨烯考验“刀工”

二维晶体只有一个原子的厚度。长期以来，人们认为，完美的二维晶体无法在非绝对零度的环境中独立存在。2004年，两位英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫以制作石墨烯为例，用一种简单实用的方法打破了人们原有的认知。石墨是碳的一种同素异形体，它的结构是平面层状的，每一层都由碳原子以正六边形紧密聚集形成蜂巢结构。1毫米厚的石墨大约包含300万层石墨烯。

安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫先从石墨上剥离下石墨片，再将石墨片的两面粘在特制胶带上，撕开胶带，将石墨片分为两层，如此反复，石墨片越分越薄，最终可以得到仅由一层碳原子组成的薄片，这就是石墨烯。石墨烯被称为“新材料之王”，在已知的材料中，它是最薄的，导电性、导热性最好，强度最大，应用前景广阔。这两位科学家打破了旧认知，制作出新材料，由此获得2010年诺贝尔物理学奖。

尽管用“撕胶带法”费时费力，但这种方法在实验室中颇受科学家的欢迎，因为它很实用。科学家在实验室中运用这种方法还获得了二硫化钼、二硫化钨等二维材料。“撕胶带法”的学名叫“机械剥离法”，它是不是让你联想到切土豆片、切文思豆腐的刀法？

制造晶体展示“拼盘”功夫

固相合成法是科学家研制新材料时常用的方法，其使用的原料大多呈粉末状，这种形状使得不同物质的分子与分子之间有机会充分接触。在整个过程中，无论是原料，还是成品都呈固态，犹如将不同的食材切碎混在一起做成拼盘。

科学家先在容器中按照一定比例加入两种以上的原料，然后注入适量的无水乙醇或去离子水，通过机械球磨的方式使它们混合均匀，再将其压缩成片状加热，让不同物质的分子与分子产生化学反应。为了加快颗粒表层分子之间的离子扩散速度，科学家要将片状物球磨混合，之后再次将其压缩成片进行加热，从而促使分子与分子不断地发生反应，生成新物质。新物质越来越多，就会堆积形成晶核，最终形成晶体，这就是科学家想要的新物质。这个生产过程和制作豆腐干的过程是否有些相似？

新材料“出锅”前也要“调味”

在菜肴出锅前，人们会撒上调料，淋些明油，让菜肴更加美味可口。在新材料成型前，科学家也会使用一些手段让它更加适用。比如一些晶体中含有铁，铁离子可能存在于晶体层的间隙，从而改变晶体的磁性，影响其品质；又如在燒结过程中，一些晶体可能由于供氧不足，导致其内部出现缺陷，影响使用效果。科学家会采取退火这一热处理工艺来解决类似问题，先将新材料加热到一定的程度，保持足够的时间，再将其放置在低温环境中让它迅速冷却，这样就可以细化晶体，减少晶体内部的缺陷。这种工艺既可以应用于金属，比如合金材料，又可以应用于非金属，如多晶硅太阳能电池材料。

“何意百炼钢，化为绕指柔？”运用科学的方法就可以做到。科学不仅存在于设施先进的实验室内和科学家研制的新材料中，也在千家万户的厨房里，在每日相伴的人间烟火中。