技术员通过实验展示石墨烯“三防”涂层技术的耐高温特点。新华社图片
二维金属示意图。资料图片
今年3月，《自然》杂志发布一项重大突破：中国科学院物理研究所科研团队成功制备了多种单原子层金属——二维金属，厚度仅为头发丝直径的20万分之一。
这项突破不仅填补了二维材料领域的空白，更发掘出二维金属轻薄、高导电性、透明显示及量子效应等特性，将有力推动二维金属领域科学研究。相关成果在超微型低功耗晶体管、超灵敏探测等领域，具有广阔应用前景。
二维金属是二维材料中的一员。二维材料大家族中，最广为人们熟知的就是石墨烯。石墨烯以其高强度、高电子迁移率、高热导率、高透光率等特性，已广泛应用于航空航天、复合材料、柔性屏幕、高性能电池、生物医学等领域，并发挥出日益重要的作用。
那么，到底何为二维材料？二维金属作为二维材料中的新成员，是如何制备而成的，又有什么特性？请看本期解读。
无限可能的二维世界
提到二维，很多人都会想到科幻小说《三体》中的一节：歌者文明向太阳系发射二向箔，使整个太阳系在几天时间内被二维化，太阳系中的所有物质都变成了二维平面残骸。
那么二维到底是什么呢？
从数学和物理尺度来说，二维是指仅包含两个独立方向的平面空间。当我们说某个空间是二维的，意味着这个空间中的每个点都可以用两个独立坐标精确描述。这个简单定义背后蕴含着人类认知世界的基本方式，从古老的几何学原理到现代数字科技，二维空间始终是人类理解复杂世界的重要工具。
实际上，自然界中纯粹的二维实体并不存在，但无数现象呈现二维特征。水面的涟漪以同心圆扩散，树叶的脉络形成平面网络，晶体生长呈现规则多边形。这些现象虽发生在三维世界，却主要展现二维特性。人类创造活动中，二维应用也无处不在，从古代墓室壁画到现代液晶屏幕，从机械蓝图到量子阱器件，平面载体承载着文明发展的轨迹。
从一维直线到二维平面看似简单，实则是一次巨大的飞跃。某些三维空间和四维空间问题，也可以简化到二维空间得到解决。如医学CT扫描通过无数二维切片组合呈现三维器官，地质勘探用二维剖面推测矿藏分布。在闵可夫斯基时空图中，时间作为第四维度与三维空间交织，特定参照系下可将复杂时空问题简化为二维时空图进行解析。这种降维分析方法大幅降低了问题复杂度。
在量子尺度，二维材料如石墨烯展现非凡特性。电子被限制在平面内运动，产生独特的量子霍尔效应。这种维度约束带来的新奇物理现象，正在催生新一代电子器件革命。
站在多维空间理论的高度回望，二维既是人类认知的起点，也是通向高维世界的跳板。从平面几何到二维材料，二维概念持续拓展着人类认知的边界，在抽象与现实之间架设起理解、互通的桥梁。
“挤压”出的新天地
简单来说，二维材料就是由单原子层或几个原子层构成的材料。一般意义上，我们并不纠结原子到底是单层还是多层，更重要的是这些材料区别于块体材料的完全不同的特性。比如石墨质地柔软，但变成单层石墨烯后强度、硬度会大大增加。
在近一个世纪的时间里，学术界曾普遍认为二维材料是不存在的。直到2004年，物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发表了一篇关于石墨烯的论文，介绍了一种由碳原子构成、只有一个原子那么厚的材料。
想要从石墨中得到尽可能薄的材料，通过常规方法很难达到目的。海姆从学生的操作中得到灵感，通过一种看似简单的“机械剥离法”，即使用胶带反复对折粘贴并撕拉高纯度石墨，竟然成功制备出单层石墨烯。海姆和诺沃肖洛夫也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。
自问世以来，石墨烯彻底颠覆了人类原有对二维材料稳定性的认知，开创了新的材料研究领域。此后，关于石墨烯研究的论文呈倍数增长。石墨烯也以其优异的电学、光学、热学和力学特性，为电子、能源、微纳加工、生物医学等领域带来革命性潜力。
石墨烯的出现，也带动着二维材料家族迅速壮大，目前实验可制备的二维材料已经多达数百种。不过，这些二维材料大部分都局限在层状材料体系，而包括金属在内的大部分材料均为非层状材料。层状材料的结构类似于三明治夹心中的培根，多层堆叠但互不粘合，分出一层相对容易。金属等非层状材料则类似黄油，每个原子都通过金属键与周围原子紧密相连。想要像“撕”石墨烯一样“撕”出来原子级厚度的二维金属，就好比从黄油中取出像培根那样完整的一层黄油，极具挑战性。此外，金属在变薄过程中很容易被破坏结构和发生氧化，这进一步增加了二维金属材料制备的难度。
那么，成功制备多种单原子层金属，中国科学院的研究团队是怎么做到的？据介绍，他们将金属熔化，并利用团队前期制备的高质量单层二硫化钼压砧进行挤压，实现了多种二维金属的普适制备。这样制备出来的二维金属在常温下稳定存在，同时可以保持其特质不受干扰。
就这样，暴力挤压出来的金属原子层，打开了二维金属领域科学研究的新天地。从某种意义上说，这是一场暴力美学下的材料革命。
改变未来的革命性金属材料
因电子、离子等载流子运动和热量扩散都被限制在二维平面内，二维材料展现出许多奇特的性质。不同的二维材料由于晶体结构不同，呈现出不同的电学或光学特性。
那么，具体到二维金属，又有哪些优越的特性呢？
良好的导电性能。二维金属仍保持金属材料良好的导电性，无论是相比单层石墨烯还是块状金属都更胜一筹。比如单层金属铋，其电子结构在二维状态仍保持金属特性，室温电导率远超石墨烯。这种固有金属性源于其原子间强金属键，无需任何掺杂即可实现高效电荷传输。除了高电子迁移率之外，二维金属还能通过电场调控电阻，兼具高集成度和低功耗特点，为超低功耗芯片提供了全新思路。这些特点使得二维金属有望成为人类从“硅时代”迈入“碳时代”，再到“金属时代”的核心材料。
全面的强度韧性。二维金属在具有较高强度的同时，部分二维金属还表现出很高的延展性。比如单层金可弯曲至曲率半径小于5毫米而不破裂，二维钼薄膜的断裂应变可达15%～20%。这样的特性使得二维金属或将在柔性电路、可穿戴设备、生物相容性植入物等领域发挥独特优势。
更强的催化活性。二维金属的比表面积可达1000m2/g以上，表面原子占比接近100%，催化活性点位密度较高，显著提高了催化反应的效率和选择性。同时，其单原子层的结构也使得催化反应能够在更温和的条件下进行，从而降低能耗和减少环境污染。在电池领域，单层铂可以作为电极涂层提升电池性能；在石油化工中，二维金属催化剂可以提高反应的选择性和产物质量，减少副产物的生成。
优异的光学性能。大部分二维金属兼具高导电性与高可见光透过率，适用于透明电极和光帆技术。通过挤压制备出的二维硼，同样具有良好的光学性能，不仅可用作光子学器件和传感器，在生物成像等领域也具有潜在的应用前景。
独特的量子效应。二维金属在单原子层厚度下展现出块体材料不具备的量子效应。如二维拓扑超导体可作为拓扑量子计算的物理载体；单层铋为自旋电子器件设计提供新思路。
虽然二维金属已从概念走向现实，但仍面临一些挑战。比如，如何大规模、低成本、高质量制备，以及如何进一步发掘、理解和调控其物理化学性质，等等。不过，其展现出的广阔应用前景，或将使其成为科技竞争的新赛道。