从古到今，人们对雪花的痴迷始末未减。或许因它外形各别，片片图案精巧；也或许因它洁白无瑕，象征纯真和浪漫。不论是唐朝诗人韩愈的“白雪却嫌春色晚，故穿庭树做飞花”，仍是明代诗人杨基的“水晶帘外娟娟月，梨花枝上层层雪”，亦或是孩童看到雪花时的欣喜冲动，雪花常常引发人们的无限猎奇和遐思。
并且人们很早就发现，雪花具有特有的六角形特征。自西汉期间就有“凡草木花多五出，雪花独六出”的说法。提出行星运动三大定律的开普勒也对雪花的构成十分猎奇，并在 1611 年出书了一本名为《六角形的雪花》《The six-cornered snowflake》的册子。
现在我们晓得，雪花的六角对称性源自卑气中水分子结晶构成冰晶的过程中，采纳的六边形排布。因而，一片片六角的雪花其实是一粒粒长大的属于六方晶系的冰晶。
当科学家第一次在显微镜下察看到从液态金属中生长并别离出的金属晶体呈现如雪花一般的外形时，会是如何的表情？
关于澳大利亚新南威尔士大学化学工程学院讲师（助理传授）汤剑波博士及其合做者来说，察看到尝试室中造备的金属“雪花”时的兴奋与冲动之情，比看到从天空散落的雪花时更甚。
“我们确实筹算用液态金属造备一些晶体，但是从没料到会得到如斯酷似雪花的构造。科学尝试一个最吸惹人的处所，就是它充满各类未知和欣喜。”汤剑波暗示。
图 | 汤剑波（来源：汤剑波）
利用低熔点的液态金属镓（Ga）做为溶剂和金属锌（Zn）做为溶量，汤剑波率领团队与来自澳大利亚皇家墨尔本理工大学、新西兰奥克兰大学等高校的研究者合做，他们起首在过饱和的液态金属溶剂 Ga 中生长 Zn 晶体，再操纵电毛细调造和实空过滤相连系的办法，胜利提取出一系列片状的 Zn 晶体。
在显微镜下，那些别离得到的细小晶体无论从形态的复杂性和构造的六角对称性来看，都与天然界中的雪花具有高度的类似性。
图丨 Zn 晶体的描摹图（来源：Science）
论文中提到：“那一战略为从液态金属溶剂中造备高度结晶的、外形可控的金属或多金属精细构造供给了一种全新的通用的路子。”
2022 年 12 月 8 日，相关论文以《液态金属合成金属晶体的溶剂》（Liquid metal synthesis solvents for metallic crystals）为题在 Science 上颁发 [1]。
图丨相关论文（来源：Science）
澳大利亚新南威尔士大学化学工程学院博士生舒哈达·伊德鲁斯·赛义迪（Shuhada A.Idrus-Saidi）和汤剑波助理传授为论文的配合第一做者。
汤剑波、澳大利亚皇家墨尔本理工大学工程学院副传授托本·达内克（Torben Daeneke）、新西兰奥克兰大学 MacDiarmid 先辈质料与纳米手艺研究所物理系传授尼古拉·加斯顿（Nicola Gaston）、新南威尔士大学化学工程学院传授库罗什·卡兰塔尔·扎德（Kourosh Kalantar-Zadeh）为论文的配合通信做者。
据介绍，做为一种拥有致密性和金属间强彼此感化的液体，液态金属可以在差别水平上溶剂化几乎所有的金属。该办法的整个造备过程操纵液态金属合金的相变，无需利用金属盐类和其它金属化合物做为前驱体。因而，借助液态金属做为溶剂来造备金属晶体具有其奇特性和常规办法所不具有的优势。
在本项研究中，若何在保留晶体的微不雅精细特征的根底上，将其与液态金属溶剂别离，是该团队面对的重要挑战之一。
相较于从水溶剂和有机溶剂而言，液态金属溶剂本身的外表张力十分高，因而不克不及通过常规的物理筛分和过滤停止别离，需要找到一种可以突破其外表张力的办法。
基于此，该团队停止了诸多测验考试，最末证明将电毛细调造和实空过滤两种办法停止连系，可以很好地处理该问题。
详细而言，该团队起首通过高温把 Zn 消融于液态 Ga 中，然后将所得的液态合金冷却到室温形态，使得 Zn 的结晶形式，得以从液态 Ga 溶剂中析出。金属 Zn 的晶体与冰晶一样，属于六方晶系。因而雪花状的晶体在那一步就构成了。紧接着，研究人员通过给淹没于氢氧化钠溶液中的液态 Zn-Ga 合金施加电压，使得液态 Ga 的外表张力敏捷大幅下降，再共同实空抽吸，Ga 溶剂即可与氢氧化钠溶液一路穿过滤膜。最初，在对过滤残留物中微量的 Ga 停止去除后，该团队胜利得到了清洁且构造完好的雪花状 Zn 晶体。
图丨晶体构成和提取战略示企图（来源：Science）
“处理手艺上的问题后，我们敏捷将那一战略应用到其它金属溶量-溶剂系统，同时也和合做者一路，通过开展分子动力学模仿停止机理摸索。”汤剑波暗示。
研究人员对温度、晶体生长时间、溶量浓度、溶剂类型等影响因素停止了全面研究，阐发了那些因素对晶体形态、构造、生长速度等方面的影响。该团队进一步将在液态金属中先生长再别离晶体第一概念扩展到其他一元或二元金属溶量以及其它液态金属溶剂系统中。他们对溶量金属锡、铋、银、锰、镍、铜、铂等停止了测试，造备出一系列形态、成分各别且高度对称性的金属晶体。
此外，研究团队还利用分子动力学模仿手段探究液态金属中晶体生长的界面不变性，在验证明验不雅测的同时，阐了然其生长机造。
图丨除 Zn-Ga 外的金属 Ga 系构成和提取晶体（来源：Science）
接下来，研究人员希望把得到的金属晶体做为功用质料，好比金属催化剂，用于现实应用中。同时，他们还会按照现实应用设想合金成分和构造的液态金属溶量-溶剂系统。
据领会，汤剑波持久处置液态金属范畴的研究。在入职新南威尔士大学之前，他在清华大学和中国科学院理化手艺研究所双聘传授刘静传授等率领下，进入液态金属范畴开展研究。近几年在新南威尔士大学期间，他次要专注于液态金属系统中的十分规相变及晶体生长过程。
“本项 Science 研究工做聚焦于发作在液态金属内部的晶体生长过程，”他说，“而在那之前，我们已经在存眷液态金属相变过程中奇特的晶体生成及其图案化形式，但是此前工做次要偏重于发作在外表的过程。”
他和团队曾于 2021 年和 2022 年在 Nature Nanotechnology 和 Nature Synthesis 上颁发了两篇相关论文。前者初次报导了液态金属合金液-固相变过程诱发的外表结晶和图案化效应 [2]；后者次要报导了液体金属外表凝固过程陪伴的一类特殊的发散-会聚瓜代振荡的微不雅图案化形式 [3]。
“目前，已经有越来越多的人起头存眷和投入液态金属范畴。将液态金属做为一种特殊溶剂，操纵其相变过程来实现质料合成，尤其是金属质料的合成，是一个十分有前景的标的目的。”汤剑波弥补道，“我们团队也等待与合做者和同业们一路，配合鞭策该标的目的前进和开展，获得出更多的功效。”
参考材料：
1. S.，Saidi，J.，Tang，S.，Lambie，et al. Liquid metal synthesis solvents for metallic crystals. Science 378，6624，1118-1124(2022). https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm2731
2. J.，Tang，S.，Lambie，N.，Meftahi，et al. Unique surface patterns emerging during solidification of liquid metal alloys. Nature Nanotechnology 16，431–439 (2021). https://www.nature.com/articles/s41565-020-00835-7
3. Tang，J.，Lambie，S.，Meftahi，N. et al. Oscillatory bifurcation patterns initiated by seeded surface solidification of liquid metals. Nature Synthesis 1，158–169 (2022). https://doi.org/10.1038/s44160-021-00020-1
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