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遍地开花的拼豆店,卖的竟是“诺奖物理”?(内附物理所拼豆图纸)

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最近,拼豆火遍大江南北。一到休息日,大家手不酸了,腰不疼了,把拼豆店当“网吧”,狠狠的坐上个一天半载。

然后在手抖翻盘中或痛哭流涕,或仰天长啸(接拼豆不翻,谢谢)


小编拼豆手抖实录

拼豆界也逐渐卷了起来,从超大拼豆


5米清明上河图拼豆 来源:兰州书展

到立体拼豆


来源博主:大眼东

小编很沉迷通过拼豆的方式创造自推,也喜欢用拼豆的方式进入心流,让脑子在简单且重复的工作中获得休憩。

一套标准的拼豆流程通常是这样的:对照图纸,用镊子或是豆笔把豆子一颗颗放到豆板上;等图案全部完成,再盖上助烫纸,用熨斗来回加热。几分钟后,原本松散的圆柱形豆子组合便连接成了一整块作品。

但在这“放豆—铺满—熨烫”的过程中,其实隐藏着三个不同的科学问题:一幅豆子组成的图案能承载多少信息?一颗颗豆子落到规则基底并铺展成层,与芯片制造中的薄膜生长有何相似之处?熨斗熨烫以后,两颗塑料豆之间的边界又是怎样消失的?


拼豆如何传递信息?

假如我们把一千颗拼豆随机撒在桌面上,它们大概率只是一片花花绿绿的噪声(就像拼豆店处理的混豆那样);但如果按照图纸,把同样的豆子放到正确的位置上,人眼就能从中辨认出拼出的形状和角色。


可被辨认的人和难以辨认的呕吐物 来源:小红书

在这两个过程中,豆子的材料和数量并没有变,改变的是它们的排列方式——或者说,是信息被编码的方式。

当我们将照片转换为拼豆图纸时,看起来连续的颜色和轮廓在拼豆图里变成了分立的像素风格子。首先需要把连续画面切分成有限的方格,这个过程叫作”空间采样”,是将连续信号离散化的过程;随后,还要从有限的豆子色号中,为每个格子选择一个最接近的颜色,这个过程叫作”颜色量化”,通过合并相似颜色并生成有限调色板,在有限色号里尽量还原原图。


这也解释了为什么拼豆天然带着像素风。毕竟拼豆是一个一个分立豆子像素化组成的图案,一条平滑的斜线只能用若干横向和纵向的小段近似。豆子越小、格点越密,图像的空间分辨率就越高;可选色号越多,颜色的还原通常也越细腻。


24色、96色和221色还原耄耋

那么,一块豆板最多可以记录多少信息?

假设钉板上共有N个位置,每个位置可以从K种颜色中任选一种。在每个格子都必须填满的情况下,整块板共有

种可能状态。若用二进制给这些状态编号,所需的最大信息量为

假设一块10×10的豆板有100个位置,每格有8种颜色可选。由于8是2的三次方,记录一格颜色最多需要3比特,记录整块板则最多需要300比特。

不过,这个300比特只描述了所有格子和颜色组合起来一共有多少种可能,还没有考虑这些可能出现得是否同样频繁。真正的拼豆往往是52×52的豆板和221色的豆子,可能性远超上面的预测。

若在一幅拼豆作品中随机遮住一个格子,让你猜它是什么颜色。如果8种颜色出现的机会完全相同,那几乎没有线索;如果整幅作品九成都是白色,那么即使格子尚未揭开,你也会优先猜白色。揭开格子之前,我们究竟有多“拿不准”,取决于各种颜色出现的概率。

香农把这种结果出现前的平均不确定程度称为信息熵:

其中,pi表示第i种颜色出现的概率。当各种颜色等概率出现时,结果最难预测,信息熵达到最大值log2K;如果一种颜色占据绝大多数,结果更容易预测,信息熵也会降低。

不过,上面的公式只统计各种颜色出现的概率,把每个格子看成彼此独立。真实的拼豆往往具有明显的色彩连续性:背景往往是一大片相同H2(白色)或者H7(黑色),头发、衣服和边框也会形成连续色块。一旦知道某个位置属于纯色背景或头发区域,相邻格子的颜色通常就更容易猜中。这些重复、对称和连续色块构成了图像中的冗余,也是一幅图能够被进一步压缩的原因。

完全随机的彩色噪声,可能比一幅角色头像拥有更高的信息熵,因为它更难预测;但噪声在我们眼中肯定不如哈基米有意义。这是因为香农熵关心的是信息有多难预测、传输和压缩,而不是我们能不能认得出图像乃是何物。


电视噪音哔哔嘟

到目前为止,我们讨论的仍是“每颗豆子应该被放在哪里”。如果没有图纸和豆笔,也没有我们控制落点的手,仅仅让大量豆子落到一个表面上,它们还能自己形成规则结构吗?

这就要把尺度从毫米缩小到原子,进入真正的材料生长过程了。


拼豆?薄膜生长!

拼豆时,一颗颗豆子被送到豆板表面,在豆钉的限制下占据固定位置,最后铺展成一片近似二维的图案;生长材料薄膜时,一个个原子或分子到达衬底表面,在表面相互作用和热运动的控制下吸附、移动、聚集,最终形成一层厚度远小于长和宽的材料。这两者何其相似!



拼豆vs薄膜生长

不过两者亦有不同,生长时的原子很难拿镊子一个一个的夹放。制造晶体薄膜时,以气相沉积为例,原子或分子先被输送到一块固体表面,这块承接薄膜的材料称为衬底。到达衬底后,粒子可能被吸附,也可能在表面移动、相互聚集,甚至重新离开,经历到达表面→吸附→表面扩散→成核→逐渐形成薄膜的过程。

如果长出的薄膜也是晶体,并且下方衬底的晶体结构规定了上方薄膜的排列方向,这种生长叫作外延。薄膜与衬底材料相同称为同质外延,材料不同则称为异质外延。


硅气相外延

对于拼豆而言,豆板上每个凸点都对应一个格点,豆子只能按照钉板给出的间距和方向排列。晶体中也存在类似的周期结构,构成晶体的原子并不是随意堆在一起,而是按照一定规律重复排列;描述这种重复单元尺寸的参数,叫作晶格常数。

市面上能购买到的绝大多数豆子都是2.6 mm,和常规豆板相互适配;也有个别5 mm的大豆子,则需要用间隔更大的豆板。在材料生长中,不同衬底和晶体都有自己最自然的原子间距,如果薄膜与衬底的晶格常数不同,两套周期结构便无法严丝合缝地对齐,类似把5 mm大豆子放到2.6 mm豆板上,这就是晶格失配。


如果晶格常数的差别较小,刚生长的薄层可能暂时迁就衬底,被拉伸或压缩。晶格产生的相对形变叫作应变,为维持这种形变而产生的内部作用则叫作应力。但随着薄膜越来越厚,强行迁就所积累的弹性能也会不断增加。超过一定厚度后,材料可能通过形成失配位错、表面起伏或三维小岛等方式释放能量。

不同规格的豆子与豆板装不上,可以帮助我们直观理解晶格失配。不过,散装豆子之间尚未彼此连接,产生的只是毫米尺度的机械不匹配,不能直接称作晶格失配。若是一张已经彼此连接、拥有固定自然间距的豆子网,被强行套在另一块间距略有不同的钉板上。开始时它或许还能靠拉伸勉强对齐,范围越大,变形积累得越严重,最后只能通过错位、翘起甚至断裂来释放压力。

我们拼豆的时候,一般会一排一排的让豆子排列下去,也有人尝试过用“邪修撒豆法”,在大块同色区域中把豆子一股脑倒下去。


来源:博主芒果不忙

那么对于材料生长而言,缺少了人手的操控,当原子到达衬底表面时,它们更愿意铺在衬底上,还是更愿意彼此抱团?

在接近平衡的简化条件下,可以用衬底表面能γS、薄膜表面能γF和薄膜—衬底界面能γI定义:

这一能量关系与晶格应变等因素共同决定了三种经典生长模式。

1


Frank–van der Merwe模式(FM,层状生长)

如果薄膜覆盖衬底能够让体系的能量降低,原子便倾向于贴着衬底向四周铺开。原子倾向先铺满一层,再生长下一层。在忽略应变等因素的简化情况下,常对应Δγ<0。这种模式容易得到较为平整、厚度可控的薄膜,因此又被称为逐层生长。

2


Volmer–Weber模式(VW,岛状生长)

如果薄膜原子与同类聚集更为有利,那么它们便不会急着铺满整个表面,原子会先在少数位置聚集成小团。即使衬底上还有大片空白,这些小团也可能继续向上生长,形成一个个三维“小岛”。随着沉积继续,小岛不断长大、合并。在简化情况下,常对应Δγ>0。

3


Stranski–Krastanov模式(SK,层—岛生长)

第三种情况介于以上两者之间。最初原子会先铺成一层或几层平整的薄膜,但随着厚度增加,从平面生长转向三维聚集,在原有薄层上形成一个个小岛。


(a)岛状生长(b)层状生长 (c)层-岛生长

回到拼豆,我们可以发现,铺满背景的平整图案在形态上有点像层状覆盖,零散色块则有点像岛状;但我们逐行摆放还是邪修撒豆,取决于我们灵机一动而不是表面自由能。因此,拼豆并不属于FM、VW或SK中的任何一种,只是帮助我们理解薄膜生长的模型。

若是一个手抖,几个小时的劳动就瞬间回归高熵状态一地散豆。

要产出真正的拼豆成品,还得用美纹纸把豆子排列转印下来,在烫布上烫成完整的图案才行。


用熨斗连接高分子

拼豆的最后一步,烫豆,让一个个零散的豆子融化、拼接形成了我们需要的图案。

市面上常见的拼豆豆子主要是低密度聚乙烯(LDPE),也有一些商家会使用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)。


LDPE的组成

这两者都属于高分子材料。高分子材料由大量高分子链组成。这些链通常包含许多重复结构单元,分子量远高于普通小分子。大量分子链彼此缠绕、穿插,它们并不完全静止,而会随温度的提高而获得能量,进而产生热运动。

理解高分子的受热状态,需要考虑以下两个温度:

玻璃化转变温度Tg

当温度低于Tg时,无定形区域中的分子链段运动受到很大限制,材料表现得很坚硬,这种状态一般被称为玻璃态。当温度升到Tg以上后,局部链段变得更加活跃,材料变得柔软,并表现出弹性和粘弹性。

熔融温度Tm

如果材料内部存在晶区,则需要考虑熔融温度。Tm与材料内部排列有序的晶区有关,当温度接近Tm时,有序结构开始瓦解,原本被晶区固定的分子链获得更大的运动空间,材料变得熔融且流动。

按照分子链在内部分子链聚集形态的不同,我们可以把高分子材料分为无定形和半结晶两类。对于无定形的热塑性聚合物,可以用“玻璃态-高弹态-粘流态”描述它随温度升高而发发生的状态转变。低温时链段被冻结;跨过Tg后材料进入柔软而富有弹性的状态;温度继续升高,整条分子链能够发生更大尺度的移动,材料最终表现出黏性流动。


但拼豆的豆子LDPE,属于半结晶聚合物。它的内部分成两个部分,一部分分子链排列的比较有序,形成晶区;而另一部分分子链相互缠绕,形成无定形区。

LDPE的Tg远低于室温,因此常温下,无定形区的链段并不是完全冻结的,那为什么豆子还是固体状呢?是因为晶区仍然存在,像大量微小的物理交联点一样限制着分子链。


半结晶聚合物里的无定形区和晶区

当我们用熨斗加热豆子,使其温度接近或超过LDPE的Tm时,晶区逐渐融化,原本受到束缚的分子链获得更大运动能力;同时,我们按压熨斗让相邻豆子的表面靠近、变形,两颗豆子之间的接触面积增加,形成连接区域。

但简单的物理连接是很脆弱的,最好让彼此的分子链进入另一端,两豆缠缠绵绵。

聚乙烯的分子链很长,这些分子链的周围都挤满了其他分子链,就像被猫猫玩坏的毛线团一样,存在大量的缠结。所以分子链很难直接横穿周围的障碍。

为了描述分子链在这种环境中的运动,1991年诺贝尔物理学奖得主德热纳提出了著名的“蛇行理论”。这是他在高分子物理领域最具代表性的成果之一。

蛇行理论中,周围分子链的约束使得目标分子链被限制在一条看不见的狭长的“管道”中,目标分子链很难横穿管道,只能主要沿着自身的管道向前或者向后一维蠕动,就像是蛇在一条狭窄的管道中爬行一样。


所以,在融化过程中,分子链沿着自身所在“管道”的方向运动,原有管道逐渐被更新,链的一部分由原来的一侧进入另一侧。随着跨界深度增加,两侧的链形成新的缠结,界面强度也随之提高。

不过,蛇行理论只是一个理想模型,真正烫豆的时间很短,温度和压力也很难做到均匀,界面融合也受诸多因素影响。

等到我们拿着烫豆布、对光确认已经烫到无孔了,就可以开始降温了。当温度下降,聚乙烯重新形成晶区,已经越过界面的分子链和缠结被保留下来,豆子们就结合到了一起。

这解释了烫豆最容易出现的翻车现象:温度太低或时间太短,表面接触和分子链扩散不充分,豆子会有孔或连接不上;温度太高或时间太长,流动太多,边缘容易变形等等。


来源:博主Xue

希望大家都能烫豆不翻车!


现在再回头看桌面上的拼豆,它已经不只是我放松身心,顺便给我推制作伟大周边的简单小手工了,还蕴含着信息熵、薄膜生长乃至高分子热运动的诸多原理。

写至此已手痒,不如尝试拼下这巨大的物理所Logo拼豆试一试?


也欢迎各位同好把你们的拼豆作品或翻车实录,在评论区分享给大家!

编辑:花卷

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