2004年，英国曼彻斯特大学的两名物理学家成功将石墨烯从石墨中剥离出来，掀起科学界研究二维材料的热潮，两人因此获得了诺贝尔奖。我们对于二维材料的性质知之甚少，但随着研究的不断深入，二维材料可能给我们带来越来越多的惊喜！

    众所周知，二维（2D）材料的概念发人深思。人类生存在一个三维世界，在这个世界里，我们看到的任何事物都具有高度、深度和宽度。然而，在2004年，一种叫做石墨烯的碳材料以独特的结构横空出世，它绝对平坦，而且只有一个碳原子厚度。石墨烯的出现使2D材料这一耐人寻味的概念转变为既定事实，2D材料也成为材料科学一个未经探索的领域。

    Pat Thiel 和 Michael Tringides是艾姆斯（Ames）实验室的科学家，目前，他们正在研究这一领域，探索在石墨、石墨烯或其他类似碳涂层表面生成的2D金属和材料所具有的独特性能。

    “如果科学家能谈论奇迹的话，那我们的工作或许是一个奇迹。几十年前，没有人相信我们可以看见单个原子，但是以我们现在的能力，不仅能看到它们，还可以像儿童摆弄乐高玩具那样，操纵它们。我们能够自下而上地创造这些材料，这在自然条件下是根本不可能发生的。”

    ——Michael Tringides，艾姆斯实验室科学家

    2D材料的开发是在实验室控制的超高真空环境下进行的，通过扫描隧道显微技术研究这类材料。为了消除所有的缺陷和杂质，需要将基板加热至高温。然后将基板降温，目标原子就会从特殊设计的原材料上连续沉积。最后，研究人员调整沉积速率和温度，寻找满足“金凤花姑娘”的条件，即控制原子移动的速度既不太快也不太慢，从而形成真正的2D材料。

    尽管多方研究团队开发了不同类型的表面材料，但在所有制造技术中有一个共同的步骤：尽可能在2D平面内组装原子。然而，这非常具有挑战性，因为在大多数条件下原子都有在三维中组装的趋势，这是原子的自然天性。

    “原子在自然条件下是混乱的，我们所做的一切都是与这种无序性作斗争。我们控制环境的方方面面，在真空条件下将原子精确地排列在高活性表面上，从而创造出足够精微、洁净、近乎完美的材料。这对于材料纳米尺度的研究是很必要的。”

    ——Michael Tringides，艾姆斯实验室科学家

    因此，了解这些材料的性能更加重要。由于2D材料仅仅是个平面，而且绝对没有体积，所以我们可以赋予它们一系列特有的纳米级性质，例如化学、光、磁、热和电等。

    爱荷华州立大学的杰出教授、材料科学家、物理化学家Thiel指出：“不管是块体材料，还是3D材料，科学界对于它们的性质都有所界定，这样一来，大部分人还可以理解和接受。但是对于2D材料还没有成文的规定，我们不了解的东西还有太多。在研究过程中，我们会得到很多惊喜，但是我们必须去解释这些新奇的现象。”

    对于这类材料性质的研究只是冰山一角，研究人员还有更大的目标：开发可能用于超快催化、微电子和自旋电子等一系列技术应用的可调谐材料。

    过去四年里，在2D基底上生长金属一直是Thiel和Tringide的研究焦点，同时艾姆斯实验室的材料研究水平也更强大。

    Tringides进一步补充说，电子能够迅速沿着石墨烯的表面流动，这说明它不仅可以活跃在科研领域，还能在技术工业中大展身手。然而，为了开发功能设备，必须在材料表面精确设计所需功能，并采用纳米水平的金属接触模式。

    “无论我们试图创造什么样的材料，表面的均匀性是功能设备的关键，这就是我们研究的”完美“所在。追求完美放慢了我们的步伐，但这是一种权衡。如果我们能够全面了解如何在理想的受控环境中产生接触，那么最终这些方法可以被优化，应用于商业生产。”

    ——Michael Tringides，艾姆斯实验室科学家

    最近，Thiel 和 Tringides成功把镝嵌入石墨层，也就是说将材料嵌入具有层状结构的化合物中。这很难实现，因为纯粹的2D石墨表面就像一个“光滑层”，没有更好的方式用于层与层之间的结合。

    Thiel表示，“这就好像床上的一张毯子，毯子本身在结构上是健全的，但是两张堆叠在一起的毯子就容易滑动，并且容易分离。”

    最近，研究人员致力于归纳总结出不同类型的金属-石墨嵌层系统形成二维结合的条件。这种新技术可能有助于制造“穿戴碳皮肤”的薄金属涂层，最终推动具有特殊催化或磁性材料的开发。

    这一深思熟虑且全面受控的实验在基础学科中引起了极大兴趣，研究人员可以在真空环境下进行这项实验。然而，Thiel将艾姆斯实验室在表面科学方面的成就归功于不同研究团体之间的密切合作。

    材料制造、光学物理、理论学和光子带隙材料等领域的研究人员，包括Thiel，都表示：“艾姆斯是表面科学研究者的天堂，在这里，我们有机会与不同专业领域的科学家直接合作，从不同的角度解决相同的问题。虽然这种合作模式已经被其他机构采纳并成为一种模范，但艾姆斯实验室内部的亲密关系和社区文化是合作模式的起点，我们在表面科学上获得的成就均来源于此。”

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责任编辑：刘洋

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