中美科學家聯手攻克世界難題 納米材料硼烯誕生

一個困擾世界凝聚態物理和材料物理界多年的難題近日被攻克。美國阿貢國家實驗室、中國南開大學、紐約州立大學石溪分校、美國西北大學的科學家合作研究，首次獲得了只有單原子厚度的二維硼材料——“硼烯”。該材料因其優越的電學、力學、熱學屬性，被科學界寄予厚望，或將成為繼石墨烯之後又一種“神奇納米材料”。相關研究成果發表在18日出版的《科學》雜誌上。《科學》、《自然》分別刊登評論文章進行亮點報道。

■ 石墨烯有了“兄弟”

石墨烯是一種呈蜂巢狀排列的單層碳原子結構，是目前已知的最薄、最堅硬的納米材料。繼石墨烯之後，科學家希望找到更多具有優良特性的二維材料。元素硼因是碳的“近鄰”而成為首要目標。然而，被稱為石墨烯“兄弟”的硼烯並非自然存在，只能人工合成。科學家對硼烯的理論結構預測已逾10年之久，但從未成功合成。即便有個別的薄膜等樣品，其結構也是異常複雜。因此，硼烯的製備成為國際凝聚態物理及材料物理界公認的世界難題。

2014年，南開大學物理學院周向鋒教授、王慧田教授和紐約州立大學石溪分校奧甘諾夫教授等基於進化算法結合第一性原理計算，預測了一個獨特的二維硼結構。該研究進一步激發了實驗學家挑戰合成硼烯的興趣。美國阿貢國家實驗室、南開大學、紐約州立大學石溪分校和美國西北大學等研究單位合作，利用高真空原子濺射的方法，首次在銀的表面成功生長出褶皺的單原子層硼烯。聯合團隊獲得的實驗結果與理論模型幾乎完全符合。南開大學團隊承擔了該研究的理論計算工作。

■ 強度比石墨烯高

此次獲得的硼烯材料具有優越的各向異性的電導性質和罕見的“負泊松比”現象。所謂“各向異性電導”是指由於硼烯的原子排列結構使得其表面呈現出“褶皺”，而這樣的結構決定了硼烯導電屬性具有方向性。而水平拉伸導致垂直方向膨脹的“負泊松比”現象也令硼烯的應用更加多樣化。

眾所周知，石墨烯是目前世界上最硬的二維材料。該研究顯示二維硼在某個方向上比石墨烯的強度還要高。如此優越的力學性質，加上特殊的電學性質和熱學性質，硼烯的應用前景將十分寬廣。

“不同襯底材料、不同温度、不同厚度等條件下生長出來的硼烯也會呈現結構的多樣性，從而決定了其功能的多樣性。我們的工作拉開了合成這個新材料的序幕，相信不久的將來會有更多特別性質的硼烯出現。”周向峯説。（記者 朱虹）