從石墨烯開始，人類正在穿越元素週期表_風聞

文/觀察未來科技

在人肉眼可見的尺度裏，鏡子是平的，餐桌是平的，道路是平的，湖水也是平的，這種平面，其實就是二維空間。而當這尺度縮小至納米範圍或是埃米範圍時，所展現出來的“平面”材料，也就是二維材料。

二維材料與三維材料截然不同，並展現出獨特且極具潛力的物理和化學特質，石墨烯就是二維材料最典型的例子。當然，從石墨烯開始，二維材料還在陸續發現的過程中，當前，二維材料已經成為一個成員眾多、種類繁多的大家族。而這些發現，正在帶領人們穿越元素週期表，走向一個開放的材料世界。

從石墨烯開始

在納米的尺度裏，科學家們把材料分成了四類，分別是零維材料、一維材料、二維材料和三維材料。

零維材料是指電子無法自由運動的材料，如量子點、納米顆粒與粉末。一維材料是指電子僅在一個納米尺度方向上直線運動，比如，納米線性結材料、量子線，其中，最具代表的則是碳納米管。三維材料則是指電子可以在三個非納米尺度上自由運動，如納米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的納米晶粒結構。

就二維材料而言，由於早期關於單原子厚度的薄膜實驗以失敗告終，科學家原本計劃通過蒸發金屬生成單原子薄片，結果卻得到了球狀體，一切似乎都證明二維材料是不可能存在的**，****直到科學家分離出石墨烯，**二維材料才被確認存在。

石墨烯是在使用鉛筆的時候無意中製成的。鉛筆的主要材料是石墨，而石墨又是碳元素的一種形式，石墨烯則是指單層石墨。實際上，科學家更早以前，就知道一種只有單個原子厚的晶體石墨烯，**但直到2003年，曼徹斯特大學的兩名教授才研究出如何從石墨中得到石墨烯。得到石墨烯的方法也很簡單，就是用一種透明的膠帶把石墨剝離下來。**他們的論文兩次被拒絕，直到2004年發表在《科學》雜誌後才被接受。

石墨烯可能是目前為止世界上最薄的材料——石墨烯是由碳原子構成的六角形蜂巢晶格，並且能吸收2.3%的光，因此，用肉眼就能夠看到石墨烯。石墨烯的導電性比銅還好，強度則是鋼的200倍，但同時又非常柔韌。石墨烯的厚度則是人類一根頭髮的直徑的一百萬分之一，雖然非常輕，卻是迄今為止測試過的最強材料。

基於對石墨烯的應用，未來，靈巧可摺疊、續航更持久、半透明的手機將成為可能；安裝了太陽能電池或超級電容器的、能夠通信的衣服也將實現；靈活輕便的電池還可以縫在衣服上。

目前，硅膠等材料能夠用於大量儲能，但每次充電後電容量就會大大減少。然而，如果用氧化石墨烯作為鋰離子電池的陽極，電池在兩次充電之間的續航時間會更長，而且充電後電容量幾乎不會減少。石墨烯是已知的導電性最好的材料，石墨烯超級電容器能夠釋放巨大的能量，並且比傳統設備更節約能源，還能減輕汽車或飛機的重量。手機等電子設備可以在幾秒鐘內充電，而不必等幾分鐘或幾小時，這會大大延長其使用壽命。

作為塗層，石墨烯的惰性很強，可以阻隔氧氣和水的侵蝕。氧化石墨烯膜在處理液體和氣體時形成了完美的屏障，它能有效地把有機溶劑從水中分離出來，並極大地去除混合氣體中的水。即使是最難阻擋的氦氣，這種薄膜也能作為它的屏障。並且，在未來的車輛和船舶中，石墨烯可以作為耐腐蝕的鍍層材料，因為只要條件適宜，石墨烯可以附着在任何金屬表面。

**針對可再生能源的缺點，石墨烯還具有儲存風能和太陽能的潛力。**由於石墨烯具有半透明的屬性，或許可以用於製造智能的、非常堅固的窗户，帶有虛擬的窗簾或顯示投影圖像。另外，石墨烯還可用於生物醫學給藥、超靈敏傳感器、作物保護——石墨烯具有無限的潛力。

如今，全世界都在研究石墨烯。石墨烯的“顛覆性創新”已經成為材料領域的共識，就像人工智能、3D打印、區塊鏈技術、虛擬現實和機器人一樣，石墨烯將將取代現有的技術和材料，開闢新的市場。當然，這對於未來材料來説，還遠遠不夠。

穿越元素週期表

雖然石墨烯的確是一項了不起的發現，但在石墨烯之外，仍有許多元素和二維材料等待人類的發現。顯然，石墨烯並不等於所有二維材料，實際上，二維材料與二維材料之間並非完全相同，甚至談不上相近。其中有一些可能是導體，比如石墨烯，而有一些則不是；有些材料結構強韌，有些則不是。而最終，這些材料將與石墨烯相結合，共同創造出更具獨特性質的新材料**。**

如前所述，石墨烯是由碳原子構成的，碳原子之間的連接度比金剛石更為緊密。另外，碳原子間特有的連接方式讓碳平面上下方的p軌道實現齧合，從而形成石墨烯超乎尋常的電子性能。要知道，碳結構可塑性極強，能夠形成一至三種不同幾何形狀的化學鍵，這使其的適用範圍遠大於人們的想像。

其中，在適當條件下，石墨烯可以實現分解還原。也就是説，p軌道能夠同其他原子相結合，卻不會同相鄰的碳原子結合。而氫原子則成為了這種反應的第一選擇，這也就是還原反應。如果在石墨烯中加入氫，二維的晶體結構就會被還原為石墨****烷（****每個碳原子都擁有單獨對應的氫原子）。在這種情況下，還原反應將改變石墨烯的特性，使其不再具有導電性。

儘管在還原反應下，石墨烯不再具有導電性，但此時．石墨烯的高比表面積便成為其獨具的優勢。因為每一個碳原子都可以直接暴露在表層。當氫被引入表層石墨烯時，氫原子將會與表層碳原子中的一半結合起來。氫之所以不與所有碳原子相結合，是因為在那樣的情況下，原子間會產生排擠現象。

與此同時，碳和氫之間的化學反應還存在一個現象，就是兩者形成的化學鍵並不牢固**。**伴隨着石墨烯及其衍生物範圍的擴大，石墨烯必將在電力的生成、管理和使用方面發擇更大作用。在製造可充電氫燃料電池的過程中，石墨烯便有可能成為重要原料之一。當加熱到 450°時．石墨烷會釋放出氫原子，而將氫原子聚集在一起便可發電。這種化學反應將石墨烷還原為石墨烯，石墨烯經過冷卻便可吸納更多的氫，這樣就形成了可反覆充電的電源。

**除了將石墨烯與氫結合外，****在元素週期表上，至少還有 91種穩定元素可以研究。**於是，基於其他元素是否能夠形成類似石墨烯的結構並且具有同樣神奇的特性，科學家們也展開了深入的研究。其中，一個概念解釋了具有相似鍵合結構的化合物為何會呈現出類似的表現特徵，那就是等電子性質。

一種材料如果想要與石墨烯具有等電子性質，就需要在軌道雲中形成高度近似的電子排列。與碳（硅、鉛等）處於同一列的元素就是碳的等電子體，這就意味着，科學家們可以基於近似石墨烯六邊形結構的其他元素來發現研究“烯”類分子。硅元素可形成硅烯結構，鍺元素可形成鍺烯結構。

如今，二維材料已被證明是眾多潛在應用中最有希望的候選材料之一，比如電子、光電子、催化、儲能、太陽能電池、生物醫學、傳感器、環境，而大量的新型二維材料又表現出超越了石墨烯的特性，比如，過渡金屬二鹵化物（TMD包括MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、ReS2、TaS2等）、己醇氮化硼（h-BN）、石墨烯、貴金屬二鹵化物（NMDs:PdSe2、PtSe2、PtS2等）、等等，可以預見，對於二維材料的持續發現，將有望帶來材料領域的爆發，併發揮各個元素的潛能，為人類世界造福。

二維材料的熱潮

當然，二維材料家族中的材料數量仍在逐年增加，近年來，二維材料在各個方面都取得了重大突破。

實際上，自然界的礦物中不存在硅或鉛的二維薄片。因而，從實現石墨烯的成功分離開始，在研究人員對每一種石墨烯等電子體的表現特徵持續研究下，2004年，科學家成功製造出來鉛石墨烯，硅烯的製造時問則要推遲至2012 年，接着是2013 年製備出來的鍺烯。最後一個是單層錫，直至 2015年才被製成。在為人類利益而不斷探索自然規律的過程中，每一種新材料的出現都為人類提供了追尋物理學下一個關鍵節點的新線索。

並且，等電子化合物並不僅僅侷限於碳族元素當中，碳族左右兩側元素的結合也能夠形成六角晶格。六邊形的氮化硼（h-BN）就是由硼和氮構成的石墨烯狀二維單層材料。硼的電子比碳少一個，而氮則比碳多一個；當這兩種元素髮生反應時，便會形成與石墨烯相同的六邊形結構。

儘管在過去十年中，二維材料領域取得了重大進展，但與此同時，這個快速發展的領域仍然面臨着一些挑戰。

其中，最大的挑戰之一就是如何以高度可控的方式合成具有所需結構特徵的二維材料，因為二維材料的性能和應用與所有這些結構特徵高度相關，包括尺寸、層數、摻雜、缺陷、空位、層間間距，結晶度和相等。

比如，近年來，二維材料的相位被認為是影響其性能和應用性能的關鍵參數之一。然而，精確設計某些相的純度、不同相的比率或二維材料的相圖案仍然是困難的，而這對其在催化和電子領域的進一步應用非常重要。

**二維材料的另一大挑戰是如何實現二維材料的大規模生產或高質量二維薄膜的晶圓級生長以用於實際應用。**現有的濕化學合成和液相剝離方法可以製備出在催化或電池方面具有良好性能的二維材料，但其生產仍不能滿足實際工業應用的要求。

二維材料的第三大挑戰就是如何防止二維納米片在存儲和應用過程中堆積或聚集，從而避免二維材料的優異性能和性能退化。要知道，二維材料的大橫向尺寸和原子厚度賦予了它們許多優異的性能，但也不可避免地使它們在儲存和進一步使用過程中非常容易堆疊在一起，這將極大地削弱它們的優勢。

考慮到二維材料已被廣泛應用，每個具體應用仍然存在挑戰。儘管二維材料確實有巨大的潛力通過製造更短的溝道晶體管或基於二維材料構建單片三維集成CMOS電路來超越摩爾定律，但更現實的目標是將二維材料與硅芯片集成，而不是取代硅。

總的來説，石墨烯革命在二維材料領域引起的熱潮，必將鼓勵科學家們對元素週期表上的其他元素開展深入研究。這也正是現代人們所擁有的鍊金術。