2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩名物理學(xué)家成功將石墨烯從石墨中剝離出來，掀起科學(xué)界研究二維材料的熱潮，兩人因此獲得了諾貝爾獎。我們對于二維材料的性質(zhì)知之甚少，但隨著研究的不斷深入，二維材料可能給我們帶來越來越多的驚喜！

    眾所周知，二維（2D）材料的概念發(fā)人深思。人類生存在一個三維世界，在這個世界里，我們看到的任何事物都具有高度、深度和寬度。然而，在2004年，一種叫做石墨烯的碳材料以獨特的結(jié)構(gòu)橫空出世，它絕對平坦，而且只有一個碳原子厚度。石墨烯的出現(xiàn)使2D材料這一耐人尋味的概念轉(zhuǎn)變?yōu)榧榷ㄊ聦崳?D材料也成為材料科學(xué)一個未經(jīng)探索的領(lǐng)域。

    Pat Thiel 和 Michael Tringides是艾姆斯（Ames）實驗室的科學(xué)家，目前，他們正在研究這一領(lǐng)域，探索在石墨、石墨烯或其他類似碳涂層表面生成的2D金屬和材料所具有的獨特性能。

    “如果科學(xué)家能談?wù)撈孥E的話，那我們的工作或許是一個奇跡。幾十年前，沒有人相信我們可以看見單個原子，但是以我們現(xiàn)在的能力，不僅能看到它們，還可以像兒童擺弄樂高玩具那樣，操縱它們。我們能夠自下而上地創(chuàng)造這些材料，這在自然條件下是根本不可能發(fā)生的。”

    ——Michael Tringides，艾姆斯實驗室科學(xué)家

    2D材料的開發(fā)是在實驗室控制的超高真空環(huán)境下進(jìn)行的，通過掃描隧道顯微技術(shù)研究這類材料。為了消除所有的缺陷和雜質(zhì)，需要將基板加熱至高溫。然后將基板降溫，目標(biāo)原子就會從特殊設(shè)計的原材料上連續(xù)沉積。最后，研究人員調(diào)整沉積速率和溫度，尋找滿足“金鳳花姑娘”的條件，即控制原子移動的速度既不太快也不太慢，從而形成真正的2D材料。

    盡管多方研究團隊開發(fā)了不同類型的表面材料，但在所有制造技術(shù)中有一個共同的步驟：盡可能在2D平面內(nèi)組裝原子。然而，這非常具有挑戰(zhàn)性，因為在大多數(shù)條件下原子都有在三維中組裝的趨勢，這是原子的自然天性。

    “原子在自然條件下是混亂的，我們所做的一切都是與這種無序性作斗爭。我們控制環(huán)境的方方面面，在真空條件下將原子精確地排列在高活性表面上，從而創(chuàng)造出足夠精微、潔凈、近乎完美的材料。這對于材料納米尺度的研究是很必要的。”

    ——Michael Tringides，艾姆斯實驗室科學(xué)家

    因此，了解這些材料的性能更加重要。由于2D材料僅僅是個平面，而且絕對沒有體積，所以我們可以賦予它們一系列特有的納米級性質(zhì)，例如化學(xué)、光、磁、熱和電等。

    愛荷華州立大學(xué)的杰出教授、材料科學(xué)家、物理化學(xué)家Thiel指出：“不管是塊體材料，還是3D材料，科學(xué)界對于它們的性質(zhì)都有所界定，這樣一來，大部分人還可以理解和接受。但是對于2D材料還沒有成文的規(guī)定，我們不了解的東西還有太多。在研究過程中，我們會得到很多驚喜，但是我們必須去解釋這些新奇的現(xiàn)象。”

    對于這類材料性質(zhì)的研究只是冰山一角，研究人員還有更大的目標(biāo)：開發(fā)可能用于超快催化、微電子和自旋電子等一系列技術(shù)應(yīng)用的可調(diào)諧材料。

    過去四年里，在2D基底上生長金屬一直是Thiel和Tringide的研究焦點，同時艾姆斯實驗室的材料研究水平也更強大。

    Tringides進(jìn)一步補充說，電子能夠迅速沿著石墨烯的表面流動，這說明它不僅可以活躍在科研領(lǐng)域，還能在技術(shù)工業(yè)中大展身手。然而，為了開發(fā)功能設(shè)備，必須在材料表面精確設(shè)計所需功能，并采用納米水平的金屬接觸模式。

    “無論我們試圖創(chuàng)造什么樣的材料，表面的均勻性是功能設(shè)備的關(guān)鍵，這就是我們研究的”完美“所在。追求完美放慢了我們的步伐，但這是一種權(quán)衡。如果我們能夠全面了解如何在理想的受控環(huán)境中產(chǎn)生接觸，那么最終這些方法可以被優(yōu)化，應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)。”

    ——Michael Tringides，艾姆斯實驗室科學(xué)家

    最近，Thiel 和 Tringides成功把鏑嵌入石墨層，也就是說將材料嵌入具有層狀結(jié)構(gòu)的化合物中。這很難實現(xiàn)，因為純粹的2D石墨表面就像一個“光滑層”，沒有更好的方式用于層與層之間的結(jié)合。

    Thiel表示，“這就好像床上的一張?zhí)鹤樱鹤颖旧碓诮Y(jié)構(gòu)上是健全的，但是兩張堆疊在一起的毯子就容易滑動，并且容易分離。”

    最近，研究人員致力于歸納總結(jié)出不同類型的金屬-石墨嵌層系統(tǒng)形成二維結(jié)合的條件。這種新技術(shù)可能有助于制造“穿戴碳皮膚”的薄金屬涂層，最終推動具有特殊催化或磁性材料的開發(fā)。

    這一深思熟慮且全面受控的實驗在基礎(chǔ)學(xué)科中引起了極大興趣，研究人員可以在真空環(huán)境下進(jìn)行這項實驗。然而，Thiel將艾姆斯實驗室在表面科學(xué)方面的成就歸功于不同研究團體之間的密切合作。

    材料制造、光學(xué)物理、理論學(xué)和光子帶隙材料等領(lǐng)域的研究人員，包括Thiel，都表示：“艾姆斯是表面科學(xué)研究者的天堂，在這里，我們有機會與不同專業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)家直接合作，從不同的角度解決相同的問題。雖然這種合作模式已經(jīng)被其他機構(gòu)采納并成為一種模范，但艾姆斯實驗室內(nèi)部的親密關(guān)系和社區(qū)文化是合作模式的起點，我們在表面科學(xué)上獲得的成就均來源于此。”

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動態(tài)，我們網(wǎng)站會不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：劉洋

《中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事

投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414