二維材料 材料界的一場新革命

“人類過去4000年的發展，從瓷器時代到青銅時代再到鐵器時代，每個時代都有一種代表性材料。我們現在生活在塑料與硅的時代，這也是今天人類文明的代表性材料。下一步是什麼呢？”在近日舉行的2019中國科幻大會“科技與未來”專題論壇上，2010年諾貝爾物理學獎得主、英國曼徹斯特大學物理學教授安德烈·海姆問道。而他自己給出的答案是：二維材料。

已知的二維材料有成百上千種

2004年，憑藉粘在膠帶上的石墨殘片，安德烈·海姆和他的博士后康斯坦丁·諾沃索洛夫分離出如今知名度最高的二維材料——石墨烯，並因此獲得2010年諾貝爾獎。

石墨是三維的，而石墨烯僅由一層碳原子構成，因此就成了二維材料。安德烈·海姆介紹，石墨烯具備一系列卓越的性能：你能想象到的最薄的材料、比表面積最大的材料、目前已知最堅固的材料、延展性和柔韌性最強的晶體、導熱性打破已有紀錄……

“這是材料的二維革命。”安德烈·海姆說，15年前，人們先驗地認為這些材料是不可能存在的。如今，科學家已經知道成百上千種其他二維材料的存在和性質。

安德烈·海姆介紹，目前全球範圍內有成千上萬研究人員在研究二維材料，很多中國大學都有這樣的研究團隊或研究人員。同時，世界上有數千家公司在研發石墨烯產品，包括眾多中國公司。

“石墨烯的優越特性讓它可在很多消費產品中得到應用。”安德烈·海姆介紹，目前市場上已經有含有石墨烯的電池，它不僅產生的熱量少，而且充電速度大為提升。還有人嘗試把石墨烯應用在跑鞋上，讓跑鞋壽命延長40%；或者將其應用在跑車上，讓跑車更加輕盈的同時，既堅固又抗衝擊。

從三維到二維物理特性會巨變

“石墨烯已經在很多領域產生廣泛應用。但其他大部分二維材料仍處於實驗室研究階段，科研人員仍在對它們的製備成本、各種性質和應用潛力進行優化和探索。”中國科學技術大學化學與材料科學學院教授朱彥武在接受科技日報記者採訪時說。

記者了解到，由單層原子構成的錫烯、二硫化鉬和黑磷等，都是當前二維材料領域的研究熱點。

“理論上很多三維材料都有‘二維化’的可能。”朱彥武介紹，從三維到二維，很多材料的物理特性會發生巨大變化。

一個最明顯的變化是，二維材料的厚度非常薄，因此會擁有非常大的比表面積，這就有潛力用作高性能負載或者過濾材料。再比如，由於石墨烯中的電子遷移速度非常快，石墨烯器件的響應速度可大大提升，同時驅動電子所用的電場和電勢就可以降低，這將大大減少一些基於二維材料的器件功耗。

實際上，隨著晶元尺度越來越小，晶元上的晶體管數量接近極限，這意味著摩爾定律日益逼近“天花板”。而二維材料的巨大應用前景之一就是用於製造新型半導體器件，從而打破摩爾定律的“天花板”，但這並非易事。

“從基礎科學研究的角度來講，材料的維度降低以後，其中涉及很多納米科學和表界面科學相關的問題，科研人員仍然沒有完全搞清楚。這是二維材料研究目前面臨的難題之一。” 朱彥武認為，從某些方向或角度首先尋找到二維材料的應用突破口，將可能刺激或者鼓勵二維材料研究領域的進一步發展。