厚度僅為A4紙的百萬分之一 ，重塑“肉身”的二維金屬來了

神話故事中，哪吒以蓮藕重塑肉身，關(guān)鍵在材料選擇。與之類似，科學(xué)家通過相關(guān)技術(shù)手段，把三維金屬變成二維金屬，使材料獲得“新生命”。近日，中國科學(xué)院物理研究所全球首次實(shí)現(xiàn)了大面積二維金屬材料的制備，填補(bǔ)了二維材料領(lǐng)域的空白。相關(guān)研究成果在《自然》雜志上發(fā)表。

什么是二維金屬

在日常生活中，我們見到的金、銀、銅、鐵等金屬材料都具有一定長度、寬度和高度，是三維材料。在三維世界，真正“打”掉一個(gè)維度的二維材料并不存在。我們所說的二維材料，指的是厚度為單個(gè)原子或者少數(shù)幾個(gè)原子的材料，并非絕對的零厚度。

2004年，科學(xué)家成功制備出單原子層的石墨烯，正是這一由碳原子組成的二維材料，開啟了二維材料研究的新紀(jì)元。自此，科學(xué)家就琢磨著把更多材料變成二維形式，金屬自然也成為目標(biāo)之一。

“二維金屬，簡單來說就是把金屬材料‘壓’得超級(jí)薄，薄到只有一個(gè)或幾個(gè)原子的厚度?！敝袊茖W(xué)院物理研究所博士王利邦說，這種厚度幾乎可以忽略，就如同一張由金屬原子組成的“紙”。

那么，這張“紙”到底有多薄呢？

中國科學(xué)院物理研究所制備出的二維金屬，厚度僅僅是一張A4紙厚度的百萬分之一。“把一塊邊長3米的金屬塊‘壓’成單原子層厚的二維金屬，能鋪滿整個(gè)北京市的地面?！蓖趵钫f。

這一成果填補(bǔ)了二維材料家族的一大塊拼圖，開創(chuàng)二維金屬研究新領(lǐng)域，被國際審稿人評(píng)價(jià)為“代表二維材料研究領(lǐng)域的一個(gè)重大進(jìn)展”。

為何只能“擠”出來

早在20多年前，石墨烯就已經(jīng)搶下了人類首次發(fā)現(xiàn)的二維材料“寶座”，二維金屬為何還如此受推崇呢？

因?yàn)橹苽涫┑娜S母體材料石墨片，是一種層狀結(jié)構(gòu)的三維固體材料。它就像是一張“千層餅”，層與層之間由較弱的范德華力（分子間作用力）相連?？茖W(xué)家可以像“撕便箋紙”一樣，將石墨片“撕”成一張張只有單原子厚度的石墨烯。在石墨烯出現(xiàn)之后不久，氮化硼、二硫化鉬、二硫化鎢等二維材料也陸續(xù)登場。

“這些二維材料的母體基本都是層狀固體材料，在人類的整個(gè)材料數(shù)據(jù)庫中的占比只有不到3%，而包括常見的金屬在內(nèi)，超過97%的材料都是非層狀結(jié)構(gòu)的?！蓖趵钫f，金屬原子間的強(qiáng)金屬鍵就像強(qiáng)力膠水，把原子360度緊密粘在一起，形成“壓縮餅干”結(jié)構(gòu)。要把金屬“重塑”成二維，就好比從一塊壓縮餅干里完整剝出一層，難度極高。

面對這一難題，中國科學(xué)院物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，發(fā)展了原子級(jí)制造的范德華擠壓技術(shù)，采用原子級(jí)平整、表面無懸掛鍵的二硫化鉬作為壓砧，將高溫熔化后的金屬液滴夾在兩個(gè)壓砧中間不斷加壓，成功“擠”出了鉍、錫、鉛、銦和鎵等多種二維金屬。

材料領(lǐng)域的“新寵”

二維金屬的誕生，為眾多領(lǐng)域的技術(shù)革新帶來了無限可能。

二維金屬擁有原子級(jí)厚度和高導(dǎo)電特性，是制造超微型低功耗晶體管和高頻電子器件的理想選擇。而其很好的柔韌性，既能制作柔性顯示屏等高性能柔性器件，也可以構(gòu)筑納米以下的大規(guī)模柔性集成電路?！拔磥淼闹悄苁謾C(jī)、計(jì)算機(jī)等電子產(chǎn)品，有望采用二維金屬制造的晶體管，實(shí)現(xiàn)更高的性能和更低的功耗?！蓖趵钫f。

二維金屬能實(shí)現(xiàn)單分子級(jí)檢測靈敏度，可顯著提升生物、氣體及光學(xué)傳感器的性能指標(biāo)，在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用；二維金屬的高導(dǎo)電性和表面活性，也是非常理想的電極材料，所制造的電池和超級(jí)電容器能實(shí)現(xiàn)更高的能量密度和更長的續(xù)航時(shí)間；二維金屬所擁有的量子相干特性，也是實(shí)驗(yàn)探索量子霍爾效應(yīng)的絕佳載體……

從石器時(shí)代到青銅時(shí)代，金屬材料的革新始終推動(dòng)著人類文明躍遷。中國科學(xué)院物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)在二維金屬上的突破，讓金屬在原子尺度煥發(fā)新生。更重要的是，這場“降維革命”不僅屬于實(shí)驗(yàn)室，更將滲透進(jìn)生活的每個(gè)角落?；蛟S不久的將來，我們手中的透明設(shè)備、頭頂?shù)牧孔有l(wèi)星等都會(huì)留下二維金屬的“印記”。

（科普時(shí)報(bào)記者 陳杰）