這兩天的天氣真是熱得離譜

北京已經(jīng)好幾天接近40℃的高溫了

小編下午三點(diǎn)在太陽下走了兩步

感覺人就要像冰淇凌一樣化掉了

想想今天才剛到七月份

雖然已經(jīng)熱了快一個(gè)月了

但是接下來還要一直熱到八九十月份

這個(gè)夏天實(shí)在太過漫長

近10天全國最高氣溫實(shí)況圖 | 來源：nmc.cn

作為一個(gè)樂觀的物理人

我們要有充分利用周圍環(huán)境

將不利條件改造成有利條件的精神

比如這么熱的天氣

溫度直接達(dá)到了一些實(shí)驗(yàn)操作的要求

于是我們不再需要加熱臺(tái)用來加熱

便可以節(jié)省下一筆電費(fèi)

那么今天就讓小編帶大家來看看

40℃能在實(shí)驗(yàn)室里做些什么

01

材料轉(zhuǎn)移

經(jīng)過前段時(shí)間《三體》電視劇、動(dòng)畫以及《流浪地球2》電影的上映，相信大家現(xiàn)在對(duì)二維材料不再陌生。二維材料是由單層或者少數(shù)層原子組成的材料，層內(nèi)由共價(jià)鍵相連，層間則由較弱的范德瓦爾斯力連接。現(xiàn)在爆火的石墨烯便是一種經(jīng)典的也是最早發(fā)現(xiàn)的二維材料。

目前已經(jīng)有機(jī)械剝離、化學(xué)氣相生長、分子束外延生長等多種方法可以用來制備二維材料，這些方法按照生長模式的不同可以分為自上而下和自下而上兩類，感興趣的小伙伴可以在《除了泥頭車和二向箔，去二次元的路還有……》這篇文章中查看更多有關(guān)二維材料生長的信息。

不知道大家有沒有思考過這樣的問題，那就是在取得二維材料之后，該怎樣將它做成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、制備成能夠使用的器件呢？

前面提過，二維材料只有一個(gè)或者幾個(gè)原子層的厚度，是一種非常非常薄的薄膜材料。在日常生活中，不管是拿起一張紙還是將紙疊成什么形狀，我們的雙手便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)這樣的操作；但是對(duì)二維材料來說，并不存在這樣方便的“手”。二維材料的厚度通常是幾納米，面積在幾百平方微米的量級(jí)；對(duì)這樣的尺度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，達(dá)到類似手的效果的方法恐怕只有掃描隧道顯微鏡方法，但太過繁瑣不適用于日常實(shí)驗(yàn)的使用。

在實(shí)驗(yàn)室中 ，二維材料的轉(zhuǎn)移方法可以分為干法轉(zhuǎn)移和濕法轉(zhuǎn)移兩大類，其中濕法轉(zhuǎn)移包括基體刻蝕法、電化學(xué)鼓泡法等；干法轉(zhuǎn)移包括PDMS（聚二甲基硅氧烷）輔助轉(zhuǎn)移法、“roll to roll”（卷對(duì)卷）轉(zhuǎn)移法、機(jī)械剝離法等。其中利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）輔助進(jìn)行轉(zhuǎn)移是實(shí)驗(yàn)室中比較常用的方法。

可以將PMMA理解成一種殘膠較少的膠帶，它能夠?qū)悠窂囊r底上粘起來，并轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上釋放。為了能夠成功釋放，需要通過加熱減小PMMA的粘性，所以轉(zhuǎn)移臺(tái)通常會(huì)有銅柱，方便進(jìn)行加熱。

回到最初的假設(shè)，如果氣溫來到40℃，這個(gè)溫度下PMMA的粘性已經(jīng)減小到一定程度，一些樣品在這個(gè)溫度下便足以釋放，就不需要加熱臺(tái)了。

02

促進(jìn)溶解

如果想快速喝一杯糖水，怎么讓糖溶得快一點(diǎn)兒？小顆粒，攪一攪，以及，用熱水。

實(shí)驗(yàn)室也是一樣，怎樣讓藥品快速溶解？加熱就是很好用的一個(gè)方法。40℃的氣溫幾乎能滿足大部分藥品快速溶解的需求了。

這便是提高溫度對(duì)提升溶解速率的作用。溶解速率指的是物質(zhì)溶解的快慢程度，高中化學(xué)告訴我們，化學(xué)實(shí)驗(yàn)中通常采用攪拌、振蕩或加熱的方式來加快固體物質(zhì)的溶解。從微觀層面來看，溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，物質(zhì)微粒越容易擴(kuò)散到溶劑當(dāng)中，溶解過程也就越容易發(fā)生。

溶解過程除了溶解速率之外，還有一個(gè)重要參數(shù)——溶解度。需要注意的是溶解度和溶解速率是互不相干的兩個(gè)概念。

溶解度指的是在一定溫度下，溶質(zhì)在100g溶劑中達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)所溶解的溶質(zhì)的質(zhì)量。不同物質(zhì)在不同溫度下的溶解度不同，并且隨著溫度變化溶解度的變化也會(huì)有所不同。

對(duì)于固體溶質(zhì)來說，大部分的溶質(zhì)溶解度隨著溫度升高而升高；少部分的溶解度隨溫度變化不大，比如說氯化鈉；極少數(shù)隨著溫度的升高而減小。

而對(duì)于氣體溶質(zhì)來說，溶解度一般都會(huì)隨著溫度升高而減小，比如說可樂的靈魂二氧化碳CO2，溫度越低，其溶解度越高，所以說夏天喝冰可樂是有理由的，不止是溫度冰涼，“氣”也會(huì)更足一些；反過來說外賣的可樂因?yàn)橥ǔ?huì)在室外放一段時(shí)間，喝到的時(shí)候已經(jīng)被炎炎夏日加熱，喝起來就和沒氣的糖水區(qū)別不大了。

氣溫來到40℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)室樣品基本已經(jīng)能夠較快速地溶解，并且大部分藥品在這個(gè)溫度下會(huì)有一個(gè)比較高的溶解度，這時(shí)候通常只需要加上研磨、攪拌等過程，便能在短時(shí)間內(nèi)配出所需的溶液。這時(shí)確實(shí)不再需要加熱臺(tái)了，但是如果需要配置氨水等氣體溶質(zhì)的溶液，還需要提前準(zhǔn)備好冷卻裝置。

03

電池循環(huán)

與大部分人印象里不同的是，40℃的溫度是電池循環(huán)狀態(tài)比較好的一個(gè)溫度。

研究表明，對(duì)于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池而言，在溫度小于40℃時(shí)，放電容量會(huì)隨著溫度升高而增加；當(dāng)溫度大于40℃時(shí)，每上升1℃，放電容量減少0.4%-0.7%。并且在溫度高于40℃時(shí)，高溫會(huì)導(dǎo)致蓄電池加速失水，壽命降低。所以在蓄電池保持在40℃時(shí)，其容量、壽命會(huì)達(dá)到比較好的狀態(tài)。

近年來鋰離子電池快速發(fā)展，并迅速在市場(chǎng)中獲得廣泛地應(yīng)用，大家手機(jī)的電池、電動(dòng)車的電池通常便是鋰離子電池。

鋰離子電池實(shí)質(zhì)上是一種具有濃度差的電池，正負(fù)極材料具有不一樣的電化學(xué)電勢(shì)。

鋰離子電池正負(fù)極中間被含電解液的隔膜隔開。虧電狀態(tài)下，Li+存在于陽極，即上圖右側(cè)的電極，充電時(shí)，Li+從電池內(nèi)部通過含電解液的隔膜，從正極移動(dòng)到負(fù)極，電子則由集流體通過外部導(dǎo)線，從正極移動(dòng)至負(fù)極。放電過程相反，儲(chǔ)存在負(fù)極中的Li+通過隔膜回到正極，電子通過外部電路從負(fù)極移動(dòng)至正極

在適宜的溫度下，鋰電池的內(nèi)阻可以達(dá)到最小，能呈現(xiàn)最高的可逆容量和能量密度。若溫度過高則會(huì)引發(fā)更多副反應(yīng)，影響電池循環(huán)壽命，同時(shí)可能出現(xiàn)材料熱失控造成安全隱患。若溫度過低則會(huì)使鋰離子的擴(kuò)散速率下降，電池內(nèi)阻增大，導(dǎo)致可逆容量降低，從而給我們一種掉電速度很快的感覺。用知乎老哥@人形自走多用途社的話來講，就是“低溫變磚頭，高溫變炸彈?！?0℃恰好是電池循環(huán)狀態(tài)比較好的溫度。

綜合來看，氣溫升到40℃，先不提人能不能待下去，還是有不少實(shí)驗(yàn)免去加熱更加方便了不是？

而我們的實(shí)驗(yàn)室，也并不是沒有40℃的時(shí)候，比如空調(diào)壞掉的實(shí)驗(yàn)室。

其實(shí)對(duì)大部分物理實(shí)驗(yàn)而言，40℃都屬于一個(gè)既不夠高，也算不上低的溫度，要求40℃的實(shí)驗(yàn)操作其實(shí)并不算多；相反，在其它領(lǐng)域，比如說醫(yī)藥學(xué)，因?yàn)?0℃是人體能達(dá)到的比較高的溫度，所以很多藥物穩(wěn)定性研究的加速實(shí)驗(yàn)會(huì)選擇40℃的溫度。

如果實(shí)驗(yàn)室氣溫真的來到了40℃，大家還知道哪些實(shí)驗(yàn)可以免去加熱操作？歡迎在留言區(qū)分享~

參考資料：

1. 溫度對(duì)鉛酸蓄電池的影響 - 知乎 (zhihu.com)

2. 鋰電池原理【基礎(chǔ)】 - 知乎 (zhihu.com)

編輯：樂子超人