“人類過去4000年的發展，從(cong) 瓷器時代到青銅時代再到鐵器時代，每個(ge) 時代都有一種代表性材料。我們(men) 現在生活在塑料與(yu) 矽的時代，這也是今天人類文明的代表性材料。下一步是什麽(me) 呢？”在近日舉(ju) 行的2019中國科幻大會(hui) “科技與(yu) 未來”專(zhuan) 題論壇上，2010年諾貝爾物理學獎得主、英國曼徹斯特大學物理學教授安德烈·海姆問道。而他自己給出的答案是：二維材料。
 

　　已知的二維材料有成百上千種
 

　　2004年，憑借粘在膠帶上的石墨殘片，安德烈·海姆和他的博士後康斯坦丁·諾沃索洛夫分離出如今知名度最高的二維材料——石墨烯，並因此獲得2010年諾貝爾獎。
 

　　石墨是三維的，而石墨烯僅(jin) 由一層碳原子構成，因此就成了二維材料。安德烈·海姆介紹，石墨烯具備一係列卓越的性能：你能想象到的最薄的材料、比表麵積最大的材料、目前已知最堅固的材料、延展性和柔韌性最強的晶體(ti) 、導熱性打破已有紀錄……
 

　　“這是材料的二維革命。”安德烈·海姆說，15年前，人們(men) 先驗地認為(wei) 這些材料是不可能存在的。如今，科學家已經知道成百上千種其他二維材料的存在和性質。
 

　　安德烈·海姆介紹，目前全球範圍內(nei) 有成千上萬(wan) 研究人員在研究二維材料，很多中國大學都有這樣的研究團隊或研究人員。同時，世界上有數千家公司在研發石墨烯產(chan) 品，包括眾(zhong) 多中國公司。
 

　　“石墨烯的優(you) 越特性讓它可在很多消費產(chan) 品中得到應用。”安德烈·海姆介紹，目前市場上已經有含有石墨烯的電池，它不僅(jin) 產(chan) 生的熱量少，而且充電速度大為(wei) 提升。還有人嚐試把石墨烯應用在跑鞋上，讓跑鞋壽命延長40%；或者將其應用在跑車上，讓跑車更加輕盈的同時，既堅固又抗衝(chong) 擊。
 

　　從(cong) 三維到二維物理特性會(hui) 巨變
 

　　“石墨烯已經在很多領域產(chan) 生廣泛應用。但其他大部分二維材料仍處於(yu) 實驗室研究階段，科研人員仍在對它們(men) 的製備成本、各種性質和應用潛力進行優(you) 化和探索。”中國科學技術大學化學與(yu) 材料科學學院教授朱彥武在接受科技日報記者采訪時說。
 

　　記者了解到，由單層原子構成的錫烯、二硫化鉬和黑磷等，都是當前二維材料領域的研究熱點。
 

　　“理論上很多三維材料都有‘二維化’的可能。”朱彥武介紹，從(cong) 三維到二維，很多材料的物理特性會(hui) 發生巨大變化。
 

　　一個(ge) 最明顯的變化是，二維材料的厚度非常薄，因此會(hui) 擁有非常大的比表麵積，這就有潛力用作高性能負載或者過濾材料。再比如，由於(yu) 石墨烯中的電子遷移速度非常快，石墨烯器件的響應速度可得到提升，同時驅動電子所用的電場和電勢就可以降低，這將減少一些基於(yu) 二維材料的器件功耗。
 

　　實際上，隨著芯片尺度越來越小，芯片上的晶體(ti) 管數量接近極限，這意味著摩爾定律日益逼近“天花板”。而二維材料的巨大應用前景之一就是用於(yu) 製造新型半導體(ti) 器件，從(cong) 而打破摩爾定律的“天花板”，但這並非易事。
 

　　“從(cong) 基礎科學研究的角度來講，材料的維度降低以後，其中涉及很多納米科學和表界麵科學相關(guan) 的問題，科研人員仍然沒有完全搞清楚。這是二維材料研究目前麵臨(lin) 的難題之一。” 朱彥武認為(wei) ，從(cong) 某些方向或角度首先尋找到二維材料的應用突破口，將可能刺激或者鼓勵二維材料研究領域的進一步發展。