將僅有1個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。 撰文 安德烈·K·海姆(Andre K. Geim) 翻譯 劉夏 新材料的發現總是會促進人類文明的進步。這是推動人類社會從石器時代到青銅時代，再到鐵器時代，最后來到硅時代的動力。 樂高積木是一種很有魔力的塑料玩具，它不斷地激發出一個又一個新創意。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、設計巧妙的城堡和許多其他結構。而今天，新一代材料科學家正受樂高積木的啟發，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，這些物質具備前所未有的電學和光學性能。科學家們進一步設想，可以利用這些物質，制造出幾乎沒有電阻的導電材料，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)的出現才產生的。石墨烯是一種片狀結構的石墨新材料，厚度只有一個原子，其原子結構是一個個重復的六邊形，看起來就像鐵絲網圍欄一樣。2004年，我和英國曼徹斯特大學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個原子厚的晶體。過去10年間，研究人員發現了幾十種可以用這個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，因為對任何材料來說，其最小厚度就是單個原子厚度(稍厚點的晶體，如3個左右的原子厚度，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，在過去幾年里，它們已經成為材料科學和固體物理領域非常熱門的話題。 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化學鍵相連的，比如共享電子的共價鍵。當它們相互靠得非常近時，原子間會通過大家熟知的微弱的范德華力相互吸引。這個力通常不夠大，無法將多個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，會變得很強大。 為了理解這種材料究竟會帶來什么誘人的可能性，我們可以想一下室溫超導。要實現無能量損失的電流傳輸，而且又不需要將設備置于超低溫環境中，這一直是幾代科學家的夢想。如果發現了可以實現這個目標的材料，對人類文明一定會產生非常深遠的影響。研究人員的共識是，原則上這個目標是可以實現的，但沒有人知道如何實現。到今天，超導材料的最高臨界溫度(超導材料從正常態轉變為超導態時的溫度)也要在-100℃以下。過去20年來，這方面的進展非常有限。 我們最近發現，用我前面描述的方法，可以將許多氧化物(由至少一個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，會發生什么呢？我們已經知道，氧化物的超導性依賴于層間距離；我們還知道在晶面之間增加一層額外的晶體層，可以將弱導電甚至絕緣材料變為超導體。測試這一想法的真實實驗還沒有完成，主要是因為，制備原子尺度的“樂高材料”的相關技術仍然處于初期階段，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，經常被看作異質結構。它們現在的尺寸都非常小，通常長寬都只有10微米，比頭發的橫截面還小。利用這些堆疊結構，我們可以通過實驗來探索其新奇的電學和光學性能以及新用途。這些結構還有一個有趣的特性：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光設備提供了可能：研究人員有機會制備出可折疊的顯示屏，當使用者需要大一點的顯示屏時，就可以將顯示屏展開；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新材料時，如果能有一些重大突破，我們相信，一定會發展出相應的大規模制備技術，以實現其工業應用。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，僅能得到幾微米大的微晶，現在我們已經可以得到幾百平方米大的片狀材料。 目前，還沒有人發現這類新材料有什么改變世界的“殺手級應用”，然而，這一領域取得的進步，已經讓很多科學家感到興奮。新材料的發現總是會促進人類文明的進步。這是推動人類社會從石器時代到青銅時代，再到鐵器時代，最后來到硅時代的背后力量。納米尺度的“樂高積木”代表了人類從未制造過的新材料。現在，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 |
