气温来到40℃，实验室的加热台竟然要失业？

来源:中科院半导体所发布时间:2023-07-041787浏览

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文章来源：中科院物理所

作者：乐子超人

这两天的天气真是热得离谱

北京已经好几天接近40℃的高温了

小编下午三点在太阳下走了两步

感觉人就要像冰淇凌一样化掉了

想想今天才刚到七月份

虽然已经热了快一个月了

但是接下来还要一直热到八九十月份

这个夏天实在太过漫长

近10天全国最高气温实况图 | 来源：nmc.cn

作为一个乐观的物理人

我们要有充分利用周围环境

将不利条件改造成有利条件的精神

比如这么热的天气

温度直接达到了一些实验操作的要求

于是我们不再需要加热台用来加热

便可以节省下一笔电费

那么今天就让小编带大家来看看

40℃能在实验室里做些什么

材料转移

经过前段时间《三体》电视剧、动画以及《流浪地球2》电影的上映，相信大家现在对二维材料不再陌生。二维材料是由单层或者少数层原子组成的材料，层内由共价键相连，层间则由较弱的范德瓦尔斯力连接。现在爆火的石墨烯便是一种经典的也是最早发现的二维材料。

石墨烯原子结构示意图 | 来源：百度图片

目前已经有机械剥离、化学气相生长、分子束外延生长等多种方法可以用来制备二维材料，这些方法按照生长模式的不同可以分为自上而下和自下而上两类。

不知道大家有没有思考过这样的问题，那就是在取得二维材料之后，该怎样将它做成更复杂的结构、制备成能够使用的器件呢？

两层石墨烯堆成的魔角石墨烯，可以看到六角形的莫尔纹 | 来源：百度图片

前面提过，二维材料只有一个或者几个原子层的厚度，是一种非常非常薄的薄膜材料。在日常生活中，不管是拿起一张纸还是将纸叠成什么形状，我们的双手便可以非常容易地实现这样的操作；但是对二维材料来说，并不存在这样方便的“手”。二维材料的厚度通常是几纳米，面积在几百平方微米的量级；对这样的尺度实现精准控制，达到类似手的效果的方法恐怕只有扫描隧道显微镜方法，但太过繁琐不适用于日常实验的使用。

利用扫描隧道显微镜实现单原子的操控 | 来源：百度图片

在实验室中，二维材料的转移方法可以分为干法转移和湿法转移两大类，其中湿法转移包括基体刻蚀法、电化学鼓泡法等；干法转移包括PDMS（聚二甲基硅氧烷）辅助转移法、“roll to roll”（卷对卷）转移法、机械剥离法等。其中利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）辅助进行转移是实验室中比较常用的方法。

CVD样品转移过程 | 来源：metatest.cn

可以将PMMA理解成一种残胶较少的胶带，它能够将样品从衬底上粘起来，并转移到目标衬底上释放。为了能够成功释放，需要通过加热减小PMMA的粘性，所以转移台通常会有铜柱，方便进行加热。

回到最初的假设，如果气温来到40℃，这个温度下PMMA的粘性已经减小到一定程度，一些样品在这个温度下便足以释放，就不需要加热台了。

促进溶解

如果想快速喝一杯糖水，怎么让糖溶得快一点儿？小颗粒，搅一搅，以及，用热水。

实验室也是一样，怎样让药品快速溶解？加热就是很好用的一个方法。40℃的气温几乎能满足大部分药品快速溶解的需求了。

这便是提高温度对提升溶解速率的作用。溶解速率指的是物质溶解的快慢程度，高中化学告诉我们，化学实验中通常采用搅拌、振荡或加热的方式来加快固体物质的溶解。从微观层面来看，温度越高，分子热运动越剧烈，物质微粒越容易扩散到溶剂当中，溶解过程也就越容易发生。

酒精灯加热试管 | 来源：百度图片

溶解过程除了溶解速率之外，还有一个重要参数——溶解度。需要注意的是溶解度和溶解速率是互不相干的两个概念。

溶解度指的是在一定温度下，溶质在100g溶剂中达到饱和状态时所溶解的溶质的质量。不同物质在不同温度下的溶解度不同，并且随着温度变化溶解度的变化也会有所不同。

高中化学溶解度经典题型 | 来源：百度图片

对于固体溶质来说，大部分的溶质溶解度随着温度升高而升高；少部分的溶解度随温度变化不大，比如说氯化钠；极少数随着温度的升高而减小。

而对于气体溶质来说，溶解度一般都会随着温度升高而减小，比如说可乐的灵魂二氧化碳CO2，温度越低，其溶解度越高，所以说夏天喝冰可乐是有理由的，不止是温度冰凉，“气”也会更足一些；反过来说外卖的可乐因为通常会在室外放一段时间，喝到的时候已经被炎炎夏日加热，喝起来就和没气的糖水区别不大了。

冰可乐 | 来源：百度图片

当气温来到40℃时，实验室样品基本已经能够较快速地溶解，并且大部分药品在这个温度下会有一个比较高的溶解度，这时候通常只需要加上研磨、搅拌等过程，便能在短时间内配出所需的溶液。这时确实不再需要加热台了，但是如果需要配置氨水等气体溶质的溶液，还需要提前准备好冷却装置。

电池循环

与大部分人印象里不同的是，40℃的温度是电池循环状态比较好的一个温度。

研究表明，对于传统铅酸蓄电池而言，在温度小于40℃时，放电容量会随着温度升高而增加；当温度大于40℃时，每上升1℃，放电容量减少0.4%-0.7%。并且在温度高于40℃时，高温会导致蓄电池加速失水，寿命降低。所以在蓄电池保持在40℃时，其容量、寿命会达到比较好的状态。

铅酸蓄电池 | 来源：百度图片

近年来锂离子电池快速发展，并迅速在市场中获得广泛地应用，大家手机的电池、电动车的电池通常便是锂离子电池。

锂离子电池结构示意图

锂离子电池实质上是一种具有浓度差的电池，正负极材料具有不一样的电化学电势。

锂离子电池正负极中间被含电解液的隔膜隔开。亏电状态下，Li+存在于阳极，即上图右侧的电极，充电时，Li+从电池内部通过含电解液的隔膜，从正极移动到负极，电子则由集流体通过外部导线，从正极移动至负极。放电过程相反，储存在负极中的Li+通过隔膜回到正极，电子通过外部电路从负极移动至正极

在适宜的温度下，锂电池的内阻可以达到最小，能呈现最高的可逆容量和能量密度。若温度过高则会引发更多副反应，影响电池循环寿命，同时可能出现材料热失控造成安全隐患。若温度过低则会使锂离子的扩散速率下降，电池内阻增大，导致可逆容量降低，从而给我们一种掉电速度很快的感觉。用知乎老哥@人形自走多用途社的话来讲，就是“低温变砖头，高温变炸弹。”40℃恰好是电池循环状态比较好的温度。