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二维材料 材料界的一场新革命

来源:科技日报2019-11-25 09:19

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  “人类过去4000年的发展,从瓷器时代到青铜时代再到铁器时代,每个时代都有一种代表性材料。我们现在生活在塑料与硅的时代,这也是今天人类文明的代表性材料。下一步是什么呢?”在近日举行的2019中国科幻大会“科技与未来”专题论坛上,2010年诺贝尔物理学奖得主、英国曼彻斯特大学物理学教授安德烈·海姆问道。而他自己给出的答案是:二维材料。

  已知的二维材料有成百上千种

  2004年,凭借粘在胶带上的石墨残片,安德烈·海姆和他的博士后康斯坦丁·诺沃索洛夫分离出如今知名度最高的二维材料——石墨烯,并因此获得2010年诺贝尔奖。

  石墨是三维的,而石墨烯仅由一层碳原子构成,因此就成了二维材料。安德烈·海姆介绍,石墨烯具备一系列卓越的性能:你能想象到的最薄的材料、比表面积最大的材料、目前已知最坚固的材料、延展性和柔韧性最强的晶体、导热性打破已有纪录……

  “这是材料的二维革命。”安德烈·海姆说,15年前,人们先验地认为这些材料是不可能存在的。如今,科学家已经知道成百上千种其他二维材料的存在和性质。

  安德烈·海姆介绍,目前全球范围内有成千上万研究人员在研究二维材料,很多中国大学都有这样的研究团队或研究人员。同时,世界上有数千家公司在研发石墨烯产品,包括众多中国公司。

  “石墨烯的优越特性让它可在很多消费产品中得到应用。”安德烈·海姆介绍,目前市场上已经有含有石墨烯的电池,它不仅产生的热量少,而且充电速度大为提升。还有人尝试把石墨烯应用在跑鞋上,让跑鞋寿命延长40%;或者将其应用在跑车上,让跑车更加轻盈的同时,既坚固又抗冲击。

  从三维到二维物理特性会巨变

  “石墨烯已经在很多领域产生广泛应用。但其他大部分二维材料仍处于实验室研究阶段,科研人员仍在对它们的制备成本、各种性质和应用潜力进行优化和探索。”中国科学技术大学化学与材料科学学院教授朱彦武在接受科技日报记者采访时说。

  记者了解到,由单层原子构成的锡烯、二硫化钼和黑磷等,都是当前二维材料领域的研究热点。

  “理论上很多三维材料都有‘二维化’的可能。”朱彦武介绍,从三维到二维,很多材料的物理特性会发生巨大变化。

  一个最明显的变化是,二维材料的厚度非常薄,因此会拥有非常大的比表面积,这就有潜力用作高性能负载或者过滤材料。再比如,由于石墨烯中的电子迁移速度非常快,石墨烯器件的响应速度可大大提升,同时驱动电子所用的电场和电势就可以降低,这将大大减少一些基于二维材料的器件功耗。

  实际上,随着芯片尺度越来越小,芯片上的晶体管数量接近极限,这意味着摩尔定律日益逼近“天花板”。而二维材料的巨大应用前景之一就是用于制造新型半导体器件,从而打破摩尔定律的“天花板”,但这并非易事。

  “从基础科学研究的角度来讲,材料的维度降低以后,其中涉及很多纳米科学和表界面科学相关的问题,科研人员仍然没有完全搞清楚。这是二维材料研究目前面临的难题之一。” 朱彦武认为,从某些方向或角度首先寻找到二维材料的应用突破口,将可能刺激或者鼓励二维材料研究领域的进一步发展。(刘园园)

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