將僅有1個(gè)原子厚度的片層材料組合到一起，能夠制備出具有全新性能與驚人潛力的物質(zhì)。 撰文 安德烈·K·海姆(Andre K. Geim) 翻譯 劉夏 新材料的發(fā)現(xiàn)總是會(huì)促進(jìn)人類文明的進(jìn)步。這是推動(dòng)人類社會(huì)從石器時(shí)代到青銅時(shí)代，再到鐵器時(shí)代，最后來到硅時(shí)代的動(dòng)力。 樂高積木是一種很有魔力的塑料玩具，它不斷地激發(fā)出一個(gè)又一個(gè)新創(chuàng)意。樂高積木的塑料組件體積很小，能按照不同方式組合到一起，從而變成神奇的汽車、設(shè)計(jì)巧妙的城堡和許多其他結(jié)構(gòu)。而今天，新一代材料科學(xué)家正受樂高積木的啟發(fā)，將這種組合方式應(yīng)用到納米世界。 這里的積木組件是一些層狀材料。這些材料最薄可以達(dá)到僅有一層原子，可以按照設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)，以精確的順序一層一層地疊加到一起。這種前所未有的精密組合方式，能夠制造出全新的物質(zhì)，這些物質(zhì)具備前所未有的電學(xué)和光學(xué)性能�？茖W(xué)家們進(jìn)一步設(shè)想，可以利用這些物質(zhì)，制造出幾乎沒有電阻的導(dǎo)電材料，運(yùn)算能力更強(qiáng)大、運(yùn)行更快的計(jì)算機(jī)，以及可彎曲、可折疊而且非常輕的可穿戴電子器件。 這些突破性的研究，是因石墨烯(graphene)的出現(xiàn)才產(chǎn)生的。石墨烯是一種片狀結(jié)構(gòu)的石墨新材料，厚度只有一個(gè)原子，其原子結(jié)構(gòu)是一個(gè)個(gè)重復(fù)的六邊形，看起來就像鐵絲網(wǎng)圍欄一樣。2004年，我和英國曼徹斯特大學(xué)的同事從塊狀石墨上分離出了單層石墨片——石墨烯，使用的方法是利用膠帶從塊狀石墨頂層剝離出一片片1個(gè)原子厚的晶體。過去10年間，研究人員發(fā)現(xiàn)了幾十種可以用這個(gè)方法剝離的塊狀晶體，而且這樣的晶體越來越多。云母(Mica)就是其中的一種晶體，還有一些具有獨(dú)特名字的材料，如六方氮化硼(hexagonal boron nitride)和二硫化鉬(molybdenumdisulfide)。 這些晶體層被認(rèn)為是二維材料，因?yàn)閷?duì)任何材料來說，其最小厚度就是單個(gè)原子厚度(稍厚點(diǎn)的晶體，如3個(gè)左右的原子厚度，也可以看做是二維的)。而根據(jù)制造者的需求，晶體層的其他尺寸——寬度和長度，可以非常大。由于二維晶體具有許多非常獨(dú)特的性能，在過去幾年里，它們已經(jīng)成為材料科學(xué)和固體物理領(lǐng)域非常熱門的話題。 我們可以將這些晶體層非常穩(wěn)定地疊放在一起。它們并不是按常規(guī)方式通過化學(xué)鍵相連的，比如共享電子的共價(jià)鍵。當(dāng)它們相互靠得非常近時(shí)，原子間會(huì)通過大家熟知的微弱的范德華力相互吸引。這個(gè)力通常不夠大，無法將多個(gè)原子或分子聚合在一起，但因?yàn)檫@些二維晶體層的原子非常密集，彼此之間的距離也非常近，因此這些力累加到一起，會(huì)變得很強(qiáng)大。 為了理解這種材料究竟會(huì)帶來什么誘人的可能性，我們可以想一下室溫超導(dǎo)。要實(shí)現(xiàn)無能量損失的電流傳輸，而且又不需要將設(shè)備置于超低溫環(huán)境中，這一直是幾代科學(xué)家的夢(mèng)想。如果發(fā)現(xiàn)了可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的材料，對(duì)人類文明一定會(huì)產(chǎn)生非常深遠(yuǎn)的影響。研究人員的共識(shí)是，原則上這個(gè)目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的，但沒有人知道如何實(shí)現(xiàn)。到今天，超導(dǎo)材料的最高臨界溫度(超導(dǎo)材料從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)的溫度)也要在-100℃以下。過去20年來，這方面的進(jìn)展非常有限。 我們最近發(fā)現(xiàn)，用我前面描述的方法，可以將許多氧化物(由至少一個(gè)氧原子和許多其他元素組成的化合物)超導(dǎo)體分解成厚度為1個(gè)原子的片層結(jié)構(gòu)。如果我們換一種順序，將各層重新組合，并且在中間添加一層其他晶體層，會(huì)發(fā)生什么呢？我們已經(jīng)知道，氧化物的超導(dǎo)性依賴于層間距離；我們還知道在晶面之間增加一層額外的晶體層，可以將弱導(dǎo)電甚至絕緣材料變?yōu)槌瑢?dǎo)體。測試這一想法的真實(shí)實(shí)驗(yàn)還沒有完成，主要是因?yàn)�，制備原子尺度的“樂高材料”的相關(guān)技術(shù)仍然處于初期階段，而且將復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)組合到一起也很困難。 目前，這些結(jié)構(gòu)所含的不同晶體層很少能多于5種，一般只含兩種或3種不同的晶體層，一般是由石墨烯片與二維材料(絕緣體氮化硼、半導(dǎo)體二硫化鉬、二硒化鎢等)組成。因?yàn)檫@種堆疊結(jié)構(gòu)含有多種材料，經(jīng)常被看作異質(zhì)結(jié)構(gòu)。它們現(xiàn)在的尺寸都非常小，通常長寬都只有10微米，比頭發(fā)的橫截面還小。利用這些堆疊結(jié)構(gòu)，我們可以通過實(shí)驗(yàn)來探索其新奇的電學(xué)和光學(xué)性能以及新用途。這些結(jié)構(gòu)還有一個(gè)有趣的特性：它們不僅非常薄，還非常柔軟，而且透明。這就為制備多種形狀的發(fā)光設(shè)備提供了可能：研究人員有機(jī)會(huì)制備出可折疊的顯示屏，當(dāng)使用者需要大一點(diǎn)的顯示屏?xí)r，就可以將顯示屏展開；也可能制備出新的計(jì)算機(jī)芯片，耗能要比現(xiàn)在的芯片低很多。 研究人員在研究這類新材料時(shí)，如果能有一些重大突破，我們相信，一定會(huì)發(fā)展出相應(yīng)的大規(guī)模制備技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)其工業(yè)應(yīng)用。就像石墨烯和其他一些二維晶體材料那樣。最初制備那些材料時(shí)，僅能得到幾微米大的微晶，現(xiàn)在我們已經(jīng)可以得到幾百平方米大的片狀材料。 目前，還沒有人發(fā)現(xiàn)這類新材料有什么改變世界的“殺手級(jí)應(yīng)用”，然而，這一領(lǐng)域取得的進(jìn)步，已經(jīng)讓很多科學(xué)家感到興奮。新材料的發(fā)現(xiàn)總是會(huì)促進(jìn)人類文明的進(jìn)步。這是推動(dòng)人類社會(huì)從石器時(shí)代到青銅時(shí)代，再到鐵器時(shí)代，最后來到硅時(shí)代的背后力量。納米尺度的“樂高積木”代表了人類從未制造過的新材料�，F(xiàn)在，我們只能猜想未來的一切，但我們相信，這種新材料帶來的可能性將是無限的。 --新浪科技 |
