中国科学家发现超级材料-石墨烯构成的材料

    据香港《南华早报》网站9月24日报道，中国科学院上海硅酸盐研究所的研究人员领导的这项研究称，研究人员利用细小的管状石墨烯构成一个拥有与钻石同等稳定性的蜂窝状结构，从而创造出了这种泡沫状材料。

    报道称，石墨烯作为一种具有异乎寻常特性的极薄的碳原子材料，近几年来吸引了研究人员巨大的兴趣。

    这种材料的强度比同重量的钢材要大207倍，而且能够以极高的效率导热和导电。

    但是，刊登在《高级材料》周刊最新一期上的研究报告称，这种新材料能够支撑起相当于其自身重量40万倍的物体而不发生弯曲。

资料图：石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格结构

    一个这种石墨烯泡沫承受了力度超过每平方英寸1.45万磅的外力的重击——几乎相当于在世界海洋最深处——约10.9千米深——位于美国关岛沿海的马里亚纳海沟，即所谓的“挑战者”号海渊——的压力。

    这个上海的研究小组称，他们新创造出的这种材料能够承受较之以往报道的石墨烯材料更大的冲击。

    这种材料还可以被挤压成其原始大小的约5%，而且依然能够恢复其原来的形态，而且即使这一过程重复1000次还能保持完好无损。

    这种新材料的特性意味着其可以用在防弹衣的内部和坦克的表面作为缓冲垫，以吸收来自射弹(如子弹、炮弹、火箭弹等)的冲击力。

石墨烯后将引起新一轮超级材料创新高潮

    物理学家习惯使用他们所能想到的最好的词语来形容石墨烯。这丝薄的单原子厚度的碳是灵活、透明的，比钢强、比铜导电好，虽然非常薄，但它实际上是二维材料。在2004年被分离出来后不久，石墨烯就成为全世界研究人员痴迷的对象。

    不过，对Andras Kis而言并非如此。Kis表示，与石墨烯一样不可思议的是，“我觉得必须超越碳”。因此，在2008年，当他有机会在瑞士联邦理工学院(EPFL)组建自己的纳米电子学研究团队时，Kis专注于研究一种超平材料。

    这些材料有一个“笨拙”的名字：过渡金属硫化物(TMDC)，但它们具有相当简单的二维结构。钼或钨等过渡金属原子的单排结构，夹在同样薄的硫元素层之间，例如硫和硒——在元素周期表中，它们均位于氧元素的下方。Kis表示，TMDC几乎与石墨烯同样薄、透明和灵活。“但它们莫名奇妙地就得到一个没有趣的名声，我认为它们应该有第二次机会。”

    他是对的。很快，研究人员发现，不同基础成分搭配制成的TMDC具有大范围的电子和光学特性。例如，与石墨烯不同，许多TMDC是半导体，这意味着它们有潜力被制成分子级别的数字处理器，并比硅更加节能。

资料图：多个类型的平面材料堆砌在一起，可能展现每个的最佳性能。

    在几年中，全世界大量实验室已经加入了追寻这种二维材料的行列。“最初是一种，然后是两种、三种，突然间，变成了二维材料王国。”Kis说。从2008年的零星出版，到现在每天6篇出版物问世，二维TMDC不断发展。物理学家认为可能有约500种二维材料，不只石墨烯和TMDC，还包括单层金属氧化物和单元素材料。“如果你想要一个给定属性的二维材料，那么你将能找到一个。”爱尔兰都柏林三一学院物理学家Jonathan Coleman说。

    “每一个都像乐高积木，如果你将它们拼在一起，或许就能做出一个全新的东西。”Kis说。

平面大冒险

    仅几个原子厚度的材料，就能有非常不同的基本特性。“即便块体材料乏善可陈，但如果你能将它变为二维形式，它会打开新的大门。”中国复旦大学实验凝聚态物理学家张远波说。

    碳就是一个典型的案例。2004年，物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov首次报告称，他们在英国曼彻斯特大学的实验室分离出了石墨烯。他们的技术非常简单。基本步骤是，在石墨薄片上按压一条胶带，然后将胶带撕下，胶带上就残留有一些原子厚度的薄层。通过重复该过程，他们最终得到了单原子层，于是Geim和Novoselov得以开始研究石墨烯的特性。该研究获得2010年诺贝尔物理学奖。

    物理学家很快开发出该物质的许多应用特性，从制作可弯曲屏幕到能源储存。但不幸的是，石墨烯并不适用于数字电子学领域。而对于这一领域而言，理想材料是半导体。

    不过，Geim和Novoselov在制作石墨烯方面获得的成功激励了其他研究人员。Kis等人开始探索可替代的二维材料。于是，他们瞄准了TMDC。到2010年，Kis团队利用TMDC二硫化钼制出了首个单层晶体管，并预测有一天这些设备能提供柔性电子。2010年的诸多研究显示，二硫化钼能有效吸收和发射光，使其有望用于太阳能电池和光电探测器。

    法国图卢兹物理和化学纳米实验室物理学家Bernhard Urbaszek表示，单层TMDC能捕获超过10%的摄入光子，这对于3个原子厚度的材料而言是一个不可思议的数字。这也帮助他们解决了另一个问题：将光转化为电。当光子撞到这个三层晶体管上时，能推动电子穿越能隙，并允许其穿过一个外部电路。每个自由电子会在该晶体中留下一个真空区，这里是电子本来的位置—— 一个带正电荷的洞。加上电压后，这些洞和电子会向不同的方向循环，从而产生一个电流净流。

    该过程还能被逆转，即将电转化为光。如果电子和真空洞被从一个外部环路注入TMDC，当它们相遇时就会再次组合然后释放光子。这种光电相互转化的能力使得TMDC有望被用于利用光传输信息、用作微小的低功率光源，甚至激光。

    不过，二硫化钼的电子迁移速率仍然不够高，很难在拥挤的电子市场中具有竞争优势。其原因是这种材料的结构特征，电子在其内部移动时，碰到较大的金属原子后会在其结构内发生弹离，从而降低迁移速度。

    今年，4个不同的研究小组均发现，TMDC二硒化钨能吸收和释放单个光子。Urbaszek提到，而量子密码和通讯领域正是需要这样的发射器，当你“按下按钮，就能得到一个光子”。现有的单光子发射器通常由块状半导体制成，而二维材料将更小且更容易与其他设备集成。

元素偏移

    也有研究小组正在探索元素周期表的不同部分。张远波小组和美国普渡大学的Peide Ye研究组，在去年成功制备了基于新型二维晶体黑磷的场效应晶体管器件。这一新型二维半导体材料是继石墨烯、二硫化钼之后的又一重要进展，为二维晶体材料家族增添了一位新成员。

    黑磷是磷的一种同素异形体，是由单层的磷原子堆叠而成的二维晶体。与石墨烯最大的不同是，黑磷有一个半导体能隙，而且比硅烯更稳定。黑磷的半导体能隙是个直接能隙，将增强其和光的直接耦合，让黑磷成为未来光电器件(例如光电传感器)的一个备选材料。

    不过，与其他纯元素二维材料一样，黑磷能与氧气和水发生非常强的反应。“在24小时后，我们可以看到材料表面的气泡，然后整个设备在数日内就会失效。”得州大学奥斯汀分校二维黑磷单晶专家Joon-Seok Kim说。如果要使其持续数小时，就需要将它夹在其他材料层之间。这种天然的不稳定性，使制造设备十分困难。因此，法国艾克斯·马赛大学物理学家Guy Le Lay预计，目前有关黑磷的80%的论文仍停留在理论阶段。

    而且，中国台湾新竹“国立清华大学”材料学教授Yi-Hsien Lee也表示，二维黑磷单晶之所以获得一些研究人员的青睐，是因为这种材料易于上手——像石墨烯那样，可以轻而易举地用透明胶带剥落黑鳞的薄片。“这是同一种方法。但这并不意味着，二维黑磷单晶前景大好。”

    尽管如此，张远波和Ye在制造黑磷晶体管方面仍取得成功。而且，今年首个硅烯晶体管问世。两年前，科学家曾指出，现有技术无法制造硅烯晶体管。“因此，预测未来通常十分危险。”Le Lay开玩笑称。但Le Lay认为仍有困难难以克服。

    正当一些物理学家在寻找新二维材料，并试图弄清其特性时，其他人则在将它们夹在一起。“与试图选出一种材料并说这是最好的不同，或许最好的方法是将它们以某种方式结合在一起，以便它们不同的特性能被适当应用。”Kis说。这可能意味着，堆积不同的二维材料，制成微小、密集三维环路。

实际预测

    欧盟石墨烯旗舰项目负责人、瑞典歌德堡查尔姆斯理工大学物理学家Jari Kinaret表示，当前围绕二维材料的熙攘，让人联想到2005年石墨烯带给人们的兴奋。该项目也研究其他二维材料。但Kinaret警告称，可能需要20年才能预估这些材料的潜在性能。“最初的二维材料研究主要关注其电子特性，因为这更接近物理学家的内心。”Kinaret说，“但我认为，这些应用如果能到来，可能完全出乎意料。”

    那些在实验室里看上去很好的材料，通常在现实世界里无法发挥其功效。所有二维材料面临的一个重要问题是，如何便宜地制造统一、无缺陷的薄层。“粘带方法”能很好地适用于TMDC和黑磷，但却浪费时间。而且，在制作块体黑磷时，该方法成本较高。目前，没有人能从零开始完善单层二维材料的制备，更不必说物理学家认为有前途的分层结构了。“需要很长时间制作我们的异质结构。”华盛顿大学物理学家徐晓东(音译)说，“我们如何能加速或自动制备？还有很多工作需要做。”

这些实际问题将妨碍二维材料实现其最初的“愿景”。“有许多这样的工作，结果只是一时狂热。”Kis说，“但我认为如此多的材料和不同特性，将能确保产出一些结果。”同时，Coleman指出，二维材料王国正在扩张。单层砷烯也已经在研究人员头脑里占有一席之地。

    “当人们开始扩展范围时，他们会发现具有优良性能的新材料。”Coleman说，“最令人兴奋的二维材料可能尚未制作出来。”