文|觀察未來(lái)科技
在人肉眼可見(jiàn)的尺度里，鏡子是平的，餐桌是平的，道路是平的，湖水也是平的，這種平面，其實(shí)就是二維空間。而當(dāng)這尺度縮小至納米范圍或是埃米范圍時(shí)，所展現(xiàn)出來(lái)的“平面”材料，也就是二維材料。
二維材料與三維材料截然不同，并展現(xiàn)出獨(dú)特且極具潛力的物理和化學(xué)特質(zhì)，石墨烯就是二維材料最典型的例子。當(dāng)然，從石墨烯開(kāi)始，二維材料還在陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程中，當(dāng)前，二維材料已經(jīng)成為一個(gè)成員眾多、種類(lèi)繁多的大家族。而這些發(fā)現(xiàn)，正在帶領(lǐng)人們穿越元素周期表，走向一個(gè)開(kāi)放的材料世界。
從石墨烯開(kāi)始
在納米的尺度里，科學(xué)家們把材料分成了四類(lèi)，分別是零維材料、一維材料、二維材料和三維材料。
零維材料是指電子無(wú)法自由運(yùn)動(dòng)的材料，如量子點(diǎn)、納米顆粒與粉末。一維材料是指電子僅在一個(gè)納米尺度方向上直線運(yùn)動(dòng)，比如，納米線性結(jié)材料、量子線，其中，最具代表的則是碳納米管。三維材料則是指電子可以在三個(gè)非納米尺度上自由運(yùn)動(dòng)，如納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒結(jié)構(gòu)。
就二維材料而言，由于早期關(guān)于單原子厚度的薄膜實(shí)驗(yàn)以失敗告終，科學(xué)家原本計(jì)劃通過(guò)蒸發(fā)金屬生成單原子薄片，結(jié)果卻得到了球狀體，一切似乎都證明二維材料是不可能存在的，直到科學(xué)家分離出石墨烯，二維材料才被確認(rèn)存在。
石墨烯是在使用鉛筆的時(shí)候無(wú)意中制成的。鉛筆的主要材料是石墨，而石墨又是碳元素的一種形式，石墨烯則是指單層石墨。實(shí)際上，科學(xué)家更早以前，就知道一種只有單個(gè)原子厚的晶體石墨烯，但直到2003年，曼徹斯特大學(xué)的兩名教授才研究出如何從石墨中得到石墨烯。得到石墨烯的方法也很簡(jiǎn)單，就是用一種透明的膠帶把石墨剝離下來(lái)。他們的論文兩次被拒絕，直到2004年發(fā)表在《科學(xué)》雜志后才被接受。
石墨烯可能是目前為止世界上最薄的材料——石墨烯是由碳原子構(gòu)成的六角形蜂巢晶格，并且能吸收2.3%的光，因此，用肉眼就能夠看到石墨烯。石墨烯的導(dǎo)電性比銅還好，強(qiáng)度則是鋼的200倍，但同時(shí)又非常柔韌。石墨烯的厚度則是人類(lèi)一根頭發(fā)的直徑的一百萬(wàn)分之一，雖然非常輕，卻是迄今為止測(cè)試過(guò)的最強(qiáng)材料。
基于對(duì)石墨烯的應(yīng)用，未來(lái)，靈巧可折疊、續(xù)航更持久、半透明的手機(jī)將成為可能；安裝了太陽(yáng)能電池或超級(jí)電容器的、能夠通信的衣服也將實(shí)現(xiàn)；靈活輕便的電池還可以縫在衣服上。
目前，硅膠等材料能夠用于大量?jī)?chǔ)能，但每次充電后電容量就會(huì)大大減少。然而，如果用氧化石墨烯作為鋰離子電池的陽(yáng)極，電池在兩次充電之間的續(xù)航時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，而且充電后電容量幾乎不會(huì)減少。石墨烯是已知的導(dǎo)電性最好的材料，石墨烯超級(jí)電容器能夠釋放巨大的能量，并且比傳統(tǒng)設(shè)備更節(jié)約能源，還能減輕汽車(chē)或飛機(jī)的重量。手機(jī)等電子設(shè)備可以在幾秒鐘內(nèi)充電，而不必等幾分鐘或幾小時(shí)，這會(huì)大大延長(zhǎng)其使用壽命。
作為涂層，石墨烯的惰性很強(qiáng)，可以阻隔氧氣和水的侵蝕。氧化石墨烯膜在處理液體和氣體時(shí)形成了完美的屏障，它能有效地把有機(jī)溶劑從水中分離出來(lái)，并極大地去除混合氣體中的水。即使是最難阻擋的氦氣，這種薄膜也能作為它的屏障。并且，在未來(lái)的車(chē)輛和船舶中，石墨烯可以作為耐腐蝕的鍍層材料，因?yàn)橹灰獥l件適宜，石墨烯可以附著在任何金屬表面。
針對(duì)可再生能源的缺點(diǎn)，石墨烯還具有儲(chǔ)存風(fēng)能和太陽(yáng)能的潛力。由于石墨烯具有半透明的屬性，或許可以用于制造智能的、非常堅(jiān)固的窗戶，帶有虛擬的窗簾或顯示投影圖像。另外，石墨烯還可用于生物醫(yī)學(xué)給藥、超靈敏傳感器、作物保護(hù)——石墨烯具有無(wú)限的潛力。
如今，全世界都在研究石墨烯。石墨烯的“顛覆性創(chuàng)新”已經(jīng)成為材料領(lǐng)域的共識(shí)，就像人工智能、3D打印、區(qū)塊鏈技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)和機(jī)器人一樣，石墨烯將將取代現(xiàn)有的技術(shù)和材料，開(kāi)辟新的市場(chǎng)。當(dāng)然，這對(duì)于未來(lái)材料來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
穿越元素周期表
雖然石墨烯的確是一項(xiàng)了不起的發(fā)現(xiàn)，但在石墨烯之外，仍有許多元素和二維材料等待人類(lèi)的發(fā)現(xiàn)。顯然，石墨烯并不等于所有二維材料，實(shí)際上，二維材料與二維材料之間并非完全相同，甚至談不上相近。其中有一些可能是導(dǎo)體，比如石墨烯，而有一些則不是；有些材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌，有些則不是。而最終，這些材料將與石墨烯相結(jié)合，共同創(chuàng)造出更具獨(dú)特性質(zhì)的新材料。
如前所述，石墨烯是由碳原子構(gòu)成的，碳原子之間的連接度比金剛石更為緊密。另外，碳原子間特有的連接方式讓碳平面上下方的p軌道實(shí)現(xiàn)嚙合，從而形成石墨烯超乎尋常的電子性能。要知道，碳結(jié)構(gòu)可塑性極強(qiáng)，能夠形成一至三種不同幾何形狀的化學(xué)鍵，這使其的適用范圍遠(yuǎn)大于人們的想像。
其中，在適當(dāng)條件下，石墨烯可以實(shí)現(xiàn)分解還原。也就是說(shuō)，p軌道能夠同其他原子相結(jié)合，卻不會(huì)同相鄰的碳原子結(jié)合。而氫原子則成為了這種反應(yīng)的第一選擇，這也就是還原反應(yīng)。如果在石墨烯中加入氫，二維的晶體結(jié)構(gòu)就會(huì)被還原為石墨烷（每個(gè)碳原子都擁有單獨(dú)對(duì)應(yīng)的氫原子）。在這種情況下，還原反應(yīng)將改變石墨烯的特性，使其不再具有導(dǎo)電性。
盡管在還原反應(yīng)下，石墨烯不再具有導(dǎo)電性，但此時(shí)．石墨烯的高比表面積便成為其獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)槊恳粋€(gè)碳原子都可以直接暴露在表層。當(dāng)氫被引入表層石墨烯時(shí)，氫原子將會(huì)與表層碳原子中的一半結(jié)合起來(lái)。氫之所以不與所有碳原子相結(jié)合，是因?yàn)樵谀菢拥那闆r下，原子間會(huì)產(chǎn)生排擠現(xiàn)象。
與此同時(shí)，碳和氫之間的化學(xué)反應(yīng)還存在一個(gè)現(xiàn)象，就是兩者形成的化學(xué)鍵并不牢固。伴隨著石墨烯及其衍生物范圍的擴(kuò)大，石墨烯必將在電力的生成、管理和使用方面發(fā)擇更大作用。在制造可充電氫燃料電池的過(guò)程中，石墨烯便有可能成為重要原料之一。當(dāng)加熱到 450°時(shí)．石墨烷會(huì)釋放出氫原子，而將氫原子聚集在一起便可發(fā)電。這種化學(xué)反應(yīng)將石墨烷還原為石墨烯，石墨烯經(jīng)過(guò)冷卻便可吸納更多的氫，這樣就形成了可反復(fù)充電的電源。
除了將石墨烯與氫結(jié)合外，在元素周期表上，至少還有 91種穩(wěn)定元素可以研究。于是，基于其他元素是否能夠形成類(lèi)似石墨烯的結(jié)構(gòu)并且具有同樣神奇的特性，科學(xué)家們也展開(kāi)了深入的研究。其中，一個(gè)概念解釋了具有相似鍵合結(jié)構(gòu)的化合物為何會(huì)呈現(xiàn)出類(lèi)似的表現(xiàn)特征，那就是等電子性質(zhì)。
一種材料如果想要與石墨烯具有等電子性質(zhì)，就需要在軌道云中形成高度近似的電子排列。與碳（硅、鉛等）處于同一列的元素就是碳的等電子體，這就意味著，科學(xué)家們可以基于近似石墨烯六邊形結(jié)構(gòu)的其他元素來(lái)發(fā)現(xiàn)研究“烯”類(lèi)分子。硅元素可形成硅烯結(jié)構(gòu)，鍺元素可形成鍺烯結(jié)構(gòu)。
如今，二維材料已被證明是眾多潛在應(yīng)用中最有希望的候選材料之一，比如電子、光電子、催化、儲(chǔ)能、太陽(yáng)能電池、生物醫(yī)學(xué)、傳感器、環(huán)境，而大量的新型二維材料又表現(xiàn)出超越了石墨烯的特性，比如，過(guò)渡金屬二鹵化物（TMD包括MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、ReS2、TaS2等）、己醇氮化硼（h-BN）、石墨烯、貴金屬二鹵化物（NMDs:PdSe2、PtSe2、PtS2等）、等等，可以預(yù)見(jiàn)，對(duì)于二維材料的持續(xù)發(fā)現(xiàn)，將有望帶來(lái)材料領(lǐng)域的爆發(fā)，并發(fā)揮各個(gè)元素的潛能，為人類(lèi)世界造福。
二維材料的熱潮
當(dāng)然，二維材料家族中的材料數(shù)量仍在逐年增加，近年來(lái)，二維材料在各個(gè)方面都取得了重大突破。
實(shí)際上，自然界的礦物中不存在硅或鉛的二維薄片。因而，從實(shí)現(xiàn)石墨烯的成功分離開(kāi)始，在研究人員對(duì)每一種石墨烯等電子體的表現(xiàn)特征持續(xù)研究下，2004年，科學(xué)家成功制造出來(lái)鉛石墨烯，硅烯的制造時(shí)問(wèn)則要推遲至2012 年，接著是2013 年制備出來(lái)的鍺烯。最后一個(gè)是單層錫，直至 2015年才被制成。在為人類(lèi)利益而不斷探索自然規(guī)律的過(guò)程中，每一種新材料的出現(xiàn)都為人類(lèi)提供了追尋物理學(xué)下一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的新線索。
并且，等電子化合物并不僅僅局限于碳族元素當(dāng)中，碳族左右兩側(cè)元素的結(jié)合也能夠形成六角晶格。六邊形的氮化硼（h-BN）就是由硼和氮構(gòu)成的石墨烯狀二維單層材料。硼的電子比碳少一個(gè)，而氮?jiǎng)t比碳多一個(gè)；當(dāng)這兩種元素發(fā)生反應(yīng)時(shí)，便會(huì)形成與石墨烯相同的六邊形結(jié)構(gòu)。
盡管在過(guò)去十年中，二維材料領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，但與此同時(shí)，這個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。
其中，最大的挑戰(zhàn)之一就是如何以高度可控的方式合成具有所需結(jié)構(gòu)特征的二維材料，因?yàn)槎S材料的性能和應(yīng)用與所有這些結(jié)構(gòu)特征高度相關(guān)，包括尺寸、層數(shù)、摻雜、缺陷、空位、層間間距，結(jié)晶度和相等。
比如，近年來(lái)，二維材料的相位被認(rèn)為是影響其性能和應(yīng)用性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。然而，精確設(shè)計(jì)某些相的純度、不同相的比率或二維材料的相圖案仍然是困難的，而這對(duì)其在催化和電子領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用非常重要。
二維材料的另一大挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)二維材料的大規(guī)模生產(chǎn)或高質(zhì)量二維薄膜的晶圓級(jí)生長(zhǎng)以用于實(shí)際應(yīng)用。現(xiàn)有的濕化學(xué)合成和液相剝離方法可以制備出在催化或電池方面具有良好性能的二維材料，但其生產(chǎn)仍不能滿足實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的要求。
二維材料的第三大挑戰(zhàn)就是如何防止二維納米片在存儲(chǔ)和應(yīng)用過(guò)程中堆積或聚集，從而避免二維材料的優(yōu)異性能和性能退化。要知道，二維材料的大橫向尺寸和原子厚度賦予了它們?cè)S多優(yōu)異的性能，但也不可避免地使它們?cè)趦?chǔ)存和進(jìn)一步使用過(guò)程中非常容易堆疊在一起，這將極大地削弱它們的優(yōu)勢(shì)。
考慮到二維材料已被廣泛應(yīng)用，每個(gè)具體應(yīng)用仍然存在挑戰(zhàn)。盡管二維材料確實(shí)有巨大的潛力通過(guò)制造更短的溝道晶體管或基于二維材料構(gòu)建單片三維集成CMOS電路來(lái)超越摩爾定律，但更現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)是將二維材料與硅芯片集成，而不是取代硅。
總的來(lái)說(shuō)，石墨烯革命在二維材料領(lǐng)域引起的熱潮，必將鼓勵(lì)科學(xué)家們對(duì)元素周期表上的其他元素開(kāi)展深入研究。這也正是現(xiàn)代人們所擁有的煉金術(shù)。