我們在日常生活中見到的材料都是擁有長、寬、高的三維形態(tài)，若將高度極致壓縮，就形成了只有長和寬，而厚度趨近于零的二維材料。這可以想象成把一根頭發(fā)絲均分二十萬份，或把一張A4紙均分一百萬層，每一層的厚度，就接近二維材料的尺度。中國科學(xué)院物理研究所張廣宇團(tuán)隊(duì)近日取得重大突破，首次成功制備出金屬的二維形態(tài)，這不僅使金屬呈現(xiàn)出顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的物理特性，更蘊(yùn)藏著重塑未來科技發(fā)展的巨大潛力。本期《開講啦》，中國科學(xué)院物理研究所研究員張廣宇、曹則賢將帶我們推開通往二維世界的大門，一同探索新材料領(lǐng)域的無限可能。

超市里藏著的諾貝爾獎(jiǎng)

當(dāng)我們穿梭在超市的貨架間，恐怕很難把這里與“諾貝爾獎(jiǎng)”聯(lián)系在一起。張廣宇提到，2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的秘密，就藏在貨架上的一卷透明膠帶里！科學(xué)家們曾認(rèn)為，二維材料在熱力學(xué)上無法穩(wěn)定存在，如果薄到一定程度，它一定會(huì)因?yàn)闊釘_動(dòng)而“碎掉”。然而，兩位英國科學(xué)家抓住石墨如“千層餅”一般的層狀結(jié)構(gòu)特性，用膠帶反復(fù)粘貼、撕扯之后，見證了奇跡的發(fā)生——人類發(fā)現(xiàn)了世界上最早的二維材料石墨烯。

曹則賢補(bǔ)充，這種方法聽起來很簡單，但背后需要深厚的科學(xué)積累作為支撐。看似隨手而為的靈光一現(xiàn)，實(shí)則是長期深耕專業(yè)、洞察物質(zhì)規(guī)律后的實(shí)驗(yàn)巧思。

中國科學(xué)家

從非遺中找到“降維”靈感

制備二維金屬，曾被國際學(xué)界視為“不可能完成的任務(wù)”，其難點(diǎn)在于，金屬不像石墨擁有層狀結(jié)構(gòu)，可以輕松剝離。金屬的原子間通過強(qiáng)大的金屬鍵緊密鎖死，更像是一塊“壓縮餅干”，想從中完整“撕”出單原子層，難度無異于登天。

面對(duì)這一世界難題，張廣宇團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，從國家級(jí)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)——南京金箔鍛制技藝中汲取靈感，獨(dú)創(chuàng)了“范德華擠壓”技術(shù)。他們甚至親手造了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)壓機(jī)，利用二硫化鉬作為“壓砧”，成功將金屬鉍“擠”成了一個(gè)原子厚度的二維形態(tài)。回憶起第一次在顯微鏡下看到二維金屬的那一刻，張廣宇仍難掩激動(dòng)：“那一晚，我激動(dòng)得徹夜未眠。”

這被曹則賢研究員賦予了獨(dú)特的中式浪漫，他將唐詩中“搗衣砧上拂還來”的意境，與實(shí)驗(yàn)室里利用“壓砧”制備二維金屬的原理巧妙結(jié)合，證明了古人早已洞悉物理之美。

邊長3米立方體金屬塊

就可以鋪滿北京？

在分享中，張廣宇給出了一個(gè)震撼的對(duì)比：如果將一塊邊長3米的立方體金屬全部制成二維金屬，其面積足以鋪滿整個(gè)北京！張廣宇作出解讀：二維金屬，本質(zhì)是原子級(jí)薄膜材料，它的厚度極致纖薄，僅約一根頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一，更是一張普通打印紙厚度的百萬分之一。從微觀視角來看，這類材料的縱向維度幾乎被壓縮為零，消除了立體結(jié)構(gòu)的“高度”概念，整體厚度被精準(zhǔn)控制在原子尺度，達(dá)到物質(zhì)結(jié)構(gòu)拆分的最小極限。

正是這種極致薄度，徹底改變了金屬原本的物理與化學(xué)屬性。相較于傳統(tǒng)體材金屬，二維金屬在導(dǎo)電、導(dǎo)熱、柔韌、催化性能等方面都會(huì)涌現(xiàn)出顛覆認(rèn)知的神奇特性。

視網(wǎng)膜、超級(jí)存儲(chǔ)器？

二維材料打開無限想象

在互動(dòng)環(huán)節(jié)，張廣宇分享了團(tuán)隊(duì)一項(xiàng)前瞻性研究：利用單原子層的二硫化鉬材料制造“人造視網(wǎng)膜”。這種視網(wǎng)膜可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，理論上若能與人體的神經(jīng)系統(tǒng)兼容，未來或可讓人類看到紅外線與紫外線，賦予我們超越自然極限的“超視覺”。

每一次對(duì)微觀世界認(rèn)知的推進(jìn)，都在拓展人類文明的邊界。張廣宇認(rèn)為，二維金屬有望在后信息時(shí)代的電子信息、量子科學(xué)等前沿領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。現(xiàn)場一位青年觀眾更是提出了大膽的設(shè)想：能否利用二維材料制造出永久保存海量信息的“超級(jí)膠卷”，將人類所有的文明景象記錄其中？張廣宇對(duì)這個(gè)想法給予了肯定，他指出，信息存儲(chǔ)技術(shù)的核心趨勢正是將存儲(chǔ)單元不斷微型化，當(dāng)存儲(chǔ)介質(zhì)薄至原子層級(jí)，信息的保存密度與持久性或?qū)⒂瓉砬八从械耐黄疲層洃浀靡栽谖⒂^世界中永恒流傳。

來源：中央廣播電視總臺(tái)

責(zé)任編輯：曹旸