“人類過(guò)去4000年的發(fā)展，從瓷器時(shí)代到青銅時(shí)代再到鐵器時(shí)代，每個(gè)時(shí)代都有一種代表性材料。我們現(xiàn)在生活在塑料與硅的時(shí)代，這也是今天人類文明的代表性材料。下一步是什么呢？”在近日舉行的2019中國(guó)科幻大會(huì)“科技與未來(lái)”專題論壇上，2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授安德烈·海姆問(wèn)道。而他自己給出的答案是：二維材料。
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　　已知的二維材料有成百上千種
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　　2004年，憑借粘在膠帶上的石墨殘片，安德烈·海姆和他的博士后康斯坦丁·諾沃索洛夫分離出如今知名度最高的二維材料——石墨烯，并因此獲得2010年諾貝爾獎(jiǎng)。
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　　石墨是三維的，而石墨烯僅由一層碳原子構(gòu)成，因此就成了二維材料。安德烈·海姆介紹，石墨烯具備一系列卓越的性能：你能想象到的最薄的材料、比表面積最大的材料、目前已知最堅(jiān)固的材料、延展性和柔韌性最強(qiáng)的晶體、導(dǎo)熱性打破已有紀(jì)錄……
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　　“這是材料的二維革命。”安德烈·海姆說(shuō)，15年前，人們先驗(yàn)地認(rèn)為這些材料是不可能存在的。如今，科學(xué)家已經(jīng)知道成百上千種其他二維材料的存在和性質(zhì)。
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　　安德烈·海姆介紹，目前全球范圍內(nèi)有成千上萬(wàn)研究人員在研究二維材料，很多中國(guó)大學(xué)都有這樣的研究團(tuán)隊(duì)或研究人員。同時(shí)，世界上有數(shù)千家公司在研發(fā)石墨烯產(chǎn)品，包括眾多中國(guó)公司。
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　　“石墨烯的優(yōu)越特性讓它可在很多消費(fèi)產(chǎn)品中得到應(yīng)用。”安德烈·海姆介紹，目前市場(chǎng)上已經(jīng)有含有石墨烯的電池，它不僅產(chǎn)生的熱量少，而且充電速度大為提升。還有人嘗試把石墨烯應(yīng)用在跑鞋上，讓跑鞋壽命延長(zhǎng)40%；或者將其應(yīng)用在跑車上，讓跑車更加輕盈的同時(shí)，既堅(jiān)固又抗沖擊。
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　　從三維到二維物理特性會(huì)巨變
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　　“石墨烯已經(jīng)在很多領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛應(yīng)用。但其他大部分二維材料仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，科研人員仍在對(duì)它們的制備成本、各種性質(zhì)和應(yīng)用潛力進(jìn)行優(yōu)化和探索?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授朱彥武在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說(shuō)。
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　　記者了解到，由單層原子構(gòu)成的錫烯、二硫化鉬和黑磷等，都是當(dāng)前二維材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
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　　“理論上很多三維材料都有‘二維化’的可能。”朱彥武介紹，從三維到二維，很多材料的物理特性會(huì)發(fā)生巨大變化。
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　　一個(gè)最明顯的變化是，二維材料的厚度非常薄，因此會(huì)擁有非常大的比表面積，這就有潛力用作高性能負(fù)載或者過(guò)濾材料。再比如，由于石墨烯中的電子遷移速度非?？欤┢骷捻憫?yīng)速度可得到提升，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電子所用的電場(chǎng)和電勢(shì)就可以降低，這將減少一些基于二維材料的器件功耗。
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　　實(shí)際上，隨著芯片尺度越來(lái)越小，芯片上的晶體管數(shù)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(yīng)用前景之一就是用于制造新型半導(dǎo)體器件，從而打破摩爾定律的“天花板”，但這并非易事。
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　　“從基礎(chǔ)科學(xué)研究的角度來(lái)講，材料的維度降低以后，其中涉及很多納米科學(xué)和表界面科學(xué)相關(guān)的問(wèn)題，科研人員仍然沒(méi)有完全搞清楚。這是二維材料研究目前面臨的難題之一?！?朱彥武認(rèn)為，從某些方向或角度首先尋找到二維材料的應(yīng)用突破口，將可能刺激或者鼓勵(lì)二維材料研究領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。
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