將自身的科研方向和聖誕節的重要元素相結合，進而創造出一個又一個的科技“奇觀”。
又到一年聖誕節！每每到12月25日，無論是歐美還是中國、城市還是小鎮、老人還是孩子，凡有人間煙火處，皆聞鈴兒響叮噹，甚至就連人跡罕至的南極大陸和高居太空的國際空間站也不乏節日的歡樂氛圍。
國際空間站上的聖誕節
而在所有歡慶佳節的人群中，科學家們可以說是思維最為奔放、創意最為絕妙的群體了，他們往往擅於將自身的科研方向和聖誕節的重要元素——聖誕樹相結合，進而創造出一個又一個的科技“奇觀”。
▍甘藍菜作電池，點亮聖誕樹
你可能以前見過用檸檬供電的燈或依靠土豆發電的時鐘，但在2013年的聖誕節，英國倫敦的一個科研小組卻用一種更小、更不受歡迎的農產品製造了一個類似的發電裝置——世界上第一個以孢子甘藍（Brussels sprout，西餐中常見的蔬菜）為動力的電池，並將其與一組聖誕樹燈連線了起來。
這個“甘藍”電池本身由五個動力單元組成，每個單元都是按照天然孢子甘藍菜莖的外觀設計的。每個電池周圍有200個芽苗，整個電池中總共有1,000個芽苗。
這些芽苗被安裝在銅和鋅的電極上，這樣就會引發每個芽苗中的電解質之間的化學反應，併產生一個小電流。
之後，一個電容器收集並儲存來自所有芽苗產生的能量，然後將其輸送給樹上的燈。電池頂部的數字顯示屏也會實時顯示它產生的電壓。
雖然現場有大量的芽菜，但這些電池合計也只能產生大約62伏的電壓和10毫安的電流，這很低，不過仍足以為樹上的100個高效LED供電。根據組織者的說法，這些芽菜應該能夠照亮聖誕樹幾個星期。
這可能不是世界上最實用的能源來源，但從大多數身處節日氣氛中的孩子來說，用蔬菜點亮一棵聖誕樹，而不是僅僅裝在盤子裡吃掉應該更能激發他們對科學和技術的興趣。
▍3D打印出“零浪費”的聖誕樹
據統計，目前全球92%的聖誕樹都是在中國的工廠裡生產然後銷往世界各地的。但是想一下，如果你能夠在自己的家裡親手“列印”出一棵聖誕樹，那節日的體驗是不是會完全不一樣！
恰巧，現如今就有一種新的3D印表機演算法，聲稱可以提供超高效的3D列印聖誕樹，並實現零材料浪費。而且，透過使用一種名為“近似金字塔形狀分解”（Approximate Pyramidal Shape Decomposition）的列印系統，該演算法還有望為鑄造巧克力聖誕老人和馴鹿生產精確的模具。
2014年的聖誕節前夕，加拿大西蒙菲莎大學（Simon Fraser University）的計算機科學教授張皓（Richard Zhang）與來自中國浙江大學的訪問博士生胡瑞珍（Ruizhen Hu）一起，聲稱開發了世界上第一個將三維物體分解為所謂的金字塔形部件的演算法。
張皓教授
恰如其名，這個所謂的“金字塔形部件”有一個平坦的底座和三角形的邊，上升到一個點上，形成一個沒有懸空部分的形狀。這種形狀顯然是3D列印的最佳構件，因為它在建立過程中不浪費任何材料，也節省了列印時間。
而在傳統的3D列印中，印表機從沉積的融化塑膠中自下而上地建立每一層。這意味著，任何有懸空部分的形狀，如我們的聖誕樹例子中的樹枝，也必須打印出該部分的所有支撐材料。在所有的印刷完成後，所有的支撐塑膠都必須被切掉，這既浪費時間又浪費材料。
此外，拿走所有支援中空或脆弱部件所需的材料也可能導致部件的破損或丟失，進一步浪費材料、時間和金錢。這一切都意味著，一種無需額外支撐就能創造物體的3D列印方法還必須在鋪設時創造出能夠自我支撐的結構，這就是“金字塔式列印”的優勢所在。
張教授透露：“想出一種實用的演算法，將3D物體分解成儘可能少的金字塔形部件是一個相當大的挑戰。然而，在實踐中，並非所有物體都能分解成金字塔形部件，研究人員很清楚這一事實。”
“重要的是，將大多數現實世界的物體完全分成金字塔形的部分是不切實際的，因為這將衍生太多的結構，”張教授說。“胡瑞珍想出了一個非常聰明的方法來改造這個問題，獲得了一個有效的解決方案。”
從本質上講，他們只是把要列印的物體分成兩半，然後在製作完成後把它們粘在一起。該團隊指出，演算法生產的零件在效率上比人類選擇的材料去除的浪費比例要高約67.7%。
在每次測試的時候，沒有人類使用者能夠獲得某些形狀的最佳零件數量時，但演算法每次都接近完美。
除了3D列印直接建立的物件外，該演算法還為模具製造和鑄造領域提供了可能的改進。因為模具通常需要有相當堅固的支撐結構來支撐物體的薄的或脆弱的部分，而在鑄造後拆除模具可能會導致部件破碎。根據研究人員的說法，金字塔結構將消除對這種支撐部件的需求。
“如果成型或鑄造的部件是金字塔形的，那麼在製造後拆除模具或鑄件將不會導致任何破損。”張教授說。顯然，這對於鑄造巧克力聖誕老人和馴鹿來說是個好訊息。
▍用石墨烯製造世界上最“薄”的聖誕樹
時間終於來到了2021年，這一年的聖誕節同樣精彩。本著同樣的科研精神，丹麥研究人員現在已經制造出了他們聲稱是世界上最薄的聖誕樹，而且亮點是它是由石墨烯製成的。
對於那些不熟悉這種物質的人來說，石墨烯可以理解為是一個一原子厚的碳原子片，以蜂窩狀的形式連線在一起。它是世界上最薄、最堅固的人造材料，此外，它還具有很強的導電性和導熱性，並且防滲透能力極強。
這些特性使它在各種應用中相當具有優勢，應用範圍包括電池、電子裝置和高強度複合材料等。
而這個世界上最薄的聖誕樹是由丹麥技術大學（DTU）的科學家制作，長度為14釐米，厚度僅為三分之一的奈米（一奈米是一米的十億分之一）。它是從一卷10米長的石墨烯上切割下來的。
生產石墨烯的方法是首先在一卷可重複使用的銅箔上“生長”出石墨烯，然後將石墨烯從銅箔上抬起，轉移到一卷廉價的聚合物薄膜上以便處理和儲存。
雖然這是一種成熟的石墨烯生產方法，但仍然很難檢查石墨烯在從一卷轉移到另一卷時有沒有失去任何功能特性。為此，DTU團隊利用太赫茲輻射解決了這個問題，太赫茲輻射被認為是少量無害的。
更具體地說，一旦石墨烯被轉移到聚合物上，它首先受到太赫茲無線電波的掃描，看看它吸收了多少太赫茲輻射。石墨烯吸收這種輻射的能力直接對應於它的導電性，所以只要掃描顯示它的輻射是均勻的，它就應該是好的。
太赫茲輻射檢測
該團隊首席科學家Peter Bøggild教授說：“此次聖誕樹實驗看似有趣，其實背後隱藏著一個重要的突破。我們第一次成功地在轉移石墨烯層時對其進行線上質量控制。這樣做是獲得穩定的、可重複的和可用的材料特性的關鍵，這是在電子電路等方面利用石墨烯的先決條件。”
