黑金——如樂高般神奇的新材料之王

李立 編譯

石墨烯（Graphene），俗稱黑金，最初由科學家通過特殊方法從石墨中分離出來，是目前人類發現的強度最大的准二維材料。石墨烯的發現引起了科學界的廣泛關注，在電子信息、醫藥、航天等領域都得到了長足的發展。

石墨烯是一種由碳原子雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的准二維材料，所以又叫做單原子層石墨。石墨烯因十分良好的強度、柔韌度、導電性、導熱性以及光學特性，被稱為新材料之王。英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）也因成功使用微機械剝離法從石墨中分離出石墨烯，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

其實像石墨烯這樣的二維材料在自然界並不少見，很多都擁有與石墨烯類似的特性。通過特殊的搭建技術，這些二維材料可以拼接成人們所需要的三維材料。這種如搭建樂高般組建二維材料的方法，為很多新材料的發現提供了可能。

二維原材料石墨烯

二維材料的分離與重新組建

理論上說，幾乎所有的三維材料都可以找到其對應的二維材料。例如：硅烯（硅的單層）、磷烯（磷的單層），還有一些過渡金屬硫化物（TMDCs）的原子單層，如二硫化鉬（MoS?）和二碲化鉬（MoTe?）。目前科學家正在研究各種方法，試圖分離出這些二維材料，其中最常見的方法是機械剝離法和外延生長法，例如石墨烯就是使用機械剝離法從石墨中分離出來的。

但在實際操作中，分離出二維材料依然有很多困難，只有耐熱性強且化學成分穩定的材料才易被分離成單原子層。而且許多金屬單層即便被分離出來，也會在很短的時間內腐蝕或氧化。

由二硫化鉬、六方氮化硼、石墨烯搭建起來的複合材料

只要擁有某種二維材料，就可以將帶有不同特性的材料組建成「複合材料」。例如，半導體可以和磁鐵組建起來，金屬可以和超導體組建起來，可以結合的材料還有很多。具體創建過程中，需要依靠精確到原子的掃描隧道顯微鏡，創建原理是利用帶電流的原子探針將單層原子移動，目前科學家已使用該方法成功將石墨烯和六方氮化硼組建成複合材料。

掃描隧道顯微鏡

全新功能

基於石墨烯的複合材料是石墨烯應用領域中的重要研究方向，其在能量儲存、液晶器件、電子器件、感測材料等領域展現出了優良性能，具有廣闊的應用前景。例如，石墨烯可以用來製作晶體管，由於石墨烯結構的高度穩定性，這種晶體管在接近單個原子的尺度上依然能穩定地工作。相比之下，目前勇挑大樑的以硅為材料的晶體管在10納米左右的尺度上就會失去穩定性。

另外，二維材料的發展還能促進計算機更快速地運轉。計算機晶元是由大量晶體管製作而成，工作原理是在半導體材料上運輸電子。隨著二維材料的發展運用，半導體材料可以製作得如電子般輕薄，晶體管越小，電腦晶元可以承載的晶體管越多，自然就會帶來速度更快的處理器。

鈣鈦礦的單層

另外，基於石墨烯的複合材料可用於生產高效靈活太陽能和燃料電池，這些複合材料正被用來開發下一代電池和超級電容器，以保證快速充電和擴展的能量輸出。目前科學家正在努力尋找各類二維材料，例如二維版本的鈣鈦礦，以用來改善LED屏幕。

新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域，石墨烯超級電池的成功研發，解決了新能源汽車如特斯拉汽車電池容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產業的發展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業的應用鋪平了道路。

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