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)現總是會(huì )促進(jìn)人類(lèi)文明的進(jìn)步。這是推動(dòng)人類(lèi)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(lái)到硅時(shí)代的動(dòng)力。 樂(lè )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(lè )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(chē)、設計巧妙的城堡和許多其他結構。而今天，新一代材料科學(xué)家正受樂(lè )高積木的啟發(fā)，將這種組合方式應用到納米世界。 這里的積木組件是一些層狀材料。這些材料最薄可以達到僅有一層原子，可以按照設計好的結構，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)一步設想，可以利用這些物質(zhì)，制造出幾乎沒(méi)有電阻的導電材料，運算能力更強大、運行更快的計算機，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)的出現才產(chǎn)生的。石墨烯是一種片狀結構的石墨新材料，厚度只有一個(gè)原子，其原子結構是一個(gè)個(gè)重復的六邊形，看起來(lái)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(guò)去10年間，研究人員發(fā)現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(lái)越多。云母(Mica)就是其中的一種晶體，還有一些具有獨特名字的材料，如六方氮化硼(hexagonal boron nitride)和二硫化鉬(molybdenumdisulfide)。 這些晶體層被認為是二維材料，因為對任何材料來(lái)說(shuō)，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)。而根據制造者的需求，晶體層的其他尺寸——寬度和長(cháng)度，可以非常大。由于二維晶體具有許多非常獨特的性能，在過(guò)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(mén)的話(huà)題。 我們可以將這些晶體層非常穩定地疊放在一起。它們并不是按常規方式通過(guò)化學(xué)鍵相連的，比如共享電子的共價(jià)鍵。當它們相互靠得非常近時(shí)，原子間會(huì )通過(guò)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(wú)法將多個(gè)原子或分子聚合在一起，但因為這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 )變得很強大。 為了理解這種材料究竟會(huì )帶來(lái)什么誘人的可能性，我們可以想一下室溫超導。要實(shí)現無(wú)能量損失的電流傳輸，而且又不需要將設備置于超低溫環(huán)境中，這一直是幾代科學(xué)家的夢(mèng)想。如果發(fā)現了可以實(shí)現這個(gè)目標的材料，對人類(lèi)文明一定會(huì )產(chǎn)生非常深遠的影響。研究人員的共識是，原則上這個(gè)目標是可以實(shí)現的，但沒(méi)有人知道如何實(shí)現。到今天，超導材料的最高臨界溫度(超導材料從正常態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(tài)時(shí)的溫度)也要在-100℃以下。過(guò)去20年來(lái)，這方面的進(jìn)展非常有限。 我們最近發(fā)現，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)超導體分解成厚度為1個(gè)原子的片層結構。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，氧化物的超導性依賴(lài)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，可以將弱導電甚至絕緣材料變?yōu)槌瑢w。測試這一想法的真實(shí)實(shí)驗還沒(méi)有完成，主要是因為，制備原子尺度的“樂(lè )高材料”的相關(guān)技術(shù)仍然處于初期階段，而且將復雜的多層結構組合到一起也很困難。 目前，這些結構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、半導體二硫化鉬、二硒化鎢等)組成。因為這種堆疊結構含有多種材料，經(jīng)常被看作異質(zhì)結構。它們現在的尺寸都非常小，通常長(cháng)寬都只有10微米，比頭發(fā)的橫截面還小。利用這些堆疊結構，我們可以通過(guò)實(shí)驗來(lái)探索其新奇的電學(xué)和光學(xué)性能以及新用途。這些結構還有一個(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)光設備提供了可能：研究人員有機會(huì )制備出可折疊的顯示屏，當使用者需要大一點(diǎn)的顯示屏時(shí)，就可以將顯示屏展開(kāi)；也可能制備出新的計算機芯片，耗能要比現在的芯片低很多。 研究人員在研究這類(lèi)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)展出相應的大規模制備技術(shù)，以實(shí)現其工業(yè)應用。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(méi)有人發(fā)現這類(lèi)新材料有什么改變世界的“殺手級應用”，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)現總是會(huì )促進(jìn)人類(lèi)文明的進(jìn)步。這是推動(dòng)人類(lèi)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(lái)到硅時(shí)代的背后力量。納米尺度的“樂(lè )高積木”代表了人類(lèi)從未制造過(guò)的新材料�，F在，我們只能猜想未來(lái)的一切，但我們相信，這種新材料帶來(lái)的可能性將是無(wú)限的。 --新浪科技 |
