中國科學家解鎖金屬二維材料 | 開講啦

我們在日常生活中見到的材料都是擁有長、寬、高的三維形態，若將高度極致壓縮，就形成了只有長和寬，而厚度趨近于零的二維材料。這可以想象成把一根頭發絲均分二十萬份，或把一張A4紙均分一百萬層，每一層的厚度，就接近二維材料的尺度。中國科學院物理研究所張廣宇團隊近日取得重大突破，首次成功制備出金屬的二維形態，這不僅使金屬呈現出顛覆傳統認知的物理特性，更蘊藏著重塑未來科技發展的巨大潛力。本期《開講啦》，中國科學院物理研究所研究員張廣宇、曹則賢將帶我們推開通往二維世界的大門，一同探索新材料領域的無限可能。

超市里藏著的諾貝爾獎

當我們穿梭在超市的貨架間，恐怕很難把這里與“諾貝爾獎”聯系在一起。張廣宇提到，2010年的諾貝爾物理學獎的秘密，就藏在貨架上的一卷透明膠帶里！科學家們曾認為，二維材料在熱力學上無法穩定存在，如果薄到一定程度，它一定會因為熱擾動而“碎掉”。然而，兩位英國科學家抓住石墨如“千層餅”一般的層狀結構特性，用膠帶反復粘貼、撕扯之后，見證了奇跡的發生——人類發現了世界上最早的二維材料石墨烯。

曹則賢補充，這種方法聽起來很簡單，但背后需要深厚的科學積累作為支撐?？此齐S手而為的靈光一現，實則是長期深耕專業、洞察物質規律后的實驗巧思。

中國科學家

從非遺中找到“降維”靈感

制備二維金屬，曾被國際學界視為“不可能完成的任務”，其難點在于，金屬不像石墨擁有層狀結構，可以輕松剝離。金屬的原子間通過強大的金屬鍵緊密鎖死，更像是一塊“壓縮餅干”，想從中完整“撕”出單原子層，難度無異于登天。

面對這一世界難題，張廣宇團隊另辟蹊徑，從國家級非物質文化遺產——南京金箔鍛制技藝中汲取靈感，獨創了“范德華擠壓”技術。他們甚至親手造了一臺實驗壓機，利用二硫化鉬作為“壓砧”，成功將金屬鉍“擠”成了一個原子厚度的二維形態?；貞浧鸬谝淮卧陲@微鏡下看到二維金屬的那一刻，張廣宇仍難掩激動：“那一晚，我激動得徹夜未眠。”

這被曹則賢研究員賦予了獨特的中式浪漫，他將唐詩中“搗衣砧上拂還來”的意境，與實驗室里利用“壓砧”制備二維金屬的原理巧妙結合，證明了古人早已洞悉物理之美。

邊長3米立方體金屬塊

就可以鋪滿北京？

在分享中，張廣宇給出了一個震撼的對比：如果將一塊邊長3米的立方體金屬全部制成二維金屬，其面積足以鋪滿整個北京！張廣宇作出解讀：二維金屬，本質是原子級薄膜材料，它的厚度極致纖薄，僅約一根頭發絲直徑的二十萬分之一，更是一張普通打印紙厚度的百萬分之一。從微觀視角來看，這類材料的縱向維度幾乎被壓縮為零，消除了立體結構的“高度”概念，整體厚度被精準控制在原子尺度，達到物質結構拆分的最小極限。

正是這種極致薄度，徹底改變了金屬原本的物理與化學屬性。相較于傳統體材金屬，二維金屬在導電、導熱、柔韌、催化性能等方面都會涌現出顛覆認知的神奇特性。

視網膜、超級存儲器？

二維材料打開無限想象

在互動環節，張廣宇分享了團隊一項前瞻性研究：利用單原子層的二硫化鉬材料制造“人造視網膜”。這種視網膜可以將光信號轉化為電信號，理論上若能與人體的神經系統兼容，未來或可讓人類看到紅外線與紫外線，賦予我們超越自然極限的“超視覺”。

每一次對微觀世界認知的推進，都在拓展人類文明的邊界。張廣宇認為，二維金屬有望在后信息時代的電子信息、量子科學等前沿領域發揮關鍵作用?，F場一位青年觀眾更是提出了大膽的設想：能否利用二維材料制造出永久保存海量信息的“超級膠卷”，將人類所有的文明景象記錄其中？張廣宇對這個想法給予了肯定，他指出，信息存儲技術的核心趨勢正是將存儲單元不斷微型化，當存儲介質薄至原子層級，信息的保存密度與持久性或將迎來前所未有的突破，讓記憶得以在微觀世界中永恒流傳。

來源：中央廣播電視總臺

責任編輯：曹旸