在我国神话传说中，“重塑金身”的故事流传已久，像哪吒以莲藕重塑肉身，关键就在于材料的选择。无独有偶，科学家们也在执着探索一个极为相似的课题，给材料“重塑金身”，引领材料创新产业革命。
近期，中国科学院物理研究所的科研团队，成功为金属“重塑金身”，实现了厚度仅为头发丝直径的二十万分之一的单原子层金属，有望开创二维金属研究新领域。相关研究成果于北京时间3月13日发表在国际学术期刊《自然》。二维金属长什么样？它将用在哪些地方？
单层二硫化钼封装的单层金属铋
（中国科学院物理研究所 供图）
在我们日常生活中，人们见到的材料都是三维的，具有一定长度、宽度、高度，但如果把其中一个维度抹平，那就是二维材料。
中国科学院物理研究所研究员 张广宇：比如说像这一本厚厚的书，这本书是有长有宽有高的，我把其中的一页纸抽出来，这张纸我们肉眼看起来很薄，就可以近似的看成一个二维的情况。
虽然一张纸很薄，但是放大之后，一张纸其实也是有一定厚度的。在科学界，真实的二维材料就是厚度为单个原子或者少数几个原子的材料，厚度仅仅是一张A4纸的百万分之一。
2004年单层石墨烯被发现，极大颠覆了人类对材料的原有认知。在此之前，人们普遍认为二维材料是不存在的。这一发现获得了2010年诺贝尔物理学奖。中国科学院物理研究所特聘研究员杜罗军告诉记者，在过去20年中，二维材料家族迅速扩大，目前实验可获得的二维材料达数百种，理论预测的更是近2000种。
杜罗军：二维材料它具有非常好的一个柔软性，我们可以做一些高性能的柔性器件，比如可以贴在我们的皮肤上，监测我们的生命健康，还可以做柔性显示屏，可以去构筑纳米以下的高性能的大规模的柔性集成电路。
然而，此前实验获取的二维材料局限在层状材料体系，纵观整个材料数据库，层状材料的占比是非常小的，97.5%以上的是非层状材料，比如生活中随处可见的金属。
杜罗军：层状结构是什么意思？就像千层饼一样，它是一层一层，或者像我们的书一样一页一页，它层和层之间的力是很弱的，我们就很容易抽出一层来，就像撕一个便签纸一样。但是对于金属，它是不一样，它就像一个压缩饼干，每一个原子或者每一个小的部分都像强力胶水，被360度无死角地粘死了。你想得到一个单层材料就要困难得多。
面对如何获得二维金属的挑战，张广宇带领团队发展了原子级制造的范德华挤压技术。在制备二维金属的演示实验中，杜罗军等科研人员首先将一块金属铋在280摄氏度的高温下熔化，之后采用团队首创的范德华挤压技术给金属施压，经过数小时后就得到了二维金属。
杜罗军：我们通过范德华挤压技术制备的一个单层的二维金属铋，为了看清楚这个铋，我们把它放在一个光学显微镜下，它可以把我们的样品放大一千倍左右，这个金属铋，它是被单层硫化钼所封装，颜色比较深，中间夹着一层金属铋样品。
二维金属材料制备过程
（中国科学院物理研究所 供图）
这些二维金属的厚度仅仅是一张A4纸的百万分之一，是一根头发丝直径的二十万分之一。如果把一块边长3米的金属块压成单原子层厚，将可以铺满整个北京市的地面。
杜罗军介绍，它们还具有非常好的环境稳定性，在超1年的实验测试中没有出现性能退化和非成键的界面，其中二维金属铋的导电性超出了预期。
杜罗军：其实我们在接近两年之前就已经获得这些样品了，但是我们也是想去看样品的稳定性，我们就把一年以前的样品每隔一段时间去测一下，至少在经过一年半以上的时间去测量样品基本上是非常稳定的。我们也去测了一些电学，发现一个非常神奇的现象，单层铋它的导电能力竟然比块体还好，它比块体还要高一个数量级，这个时候它就可以做一些应用了，比如芯片。
这么薄的金属材料，能肉眼可见吗？杜罗军说，小块的二维金属材料肉眼难以见到，但面积较大的话，在阳光下能看得出，呈现出非常透明的状态，透光率达90%以上。
尽管过去实验中观察到了一些非常薄的金属材料，但横向尺寸面积很小，一般小于100纳米，从纳米材料的定义来看，这些材料应该算零维材料，而不是二维材料。杜罗军表示，这次是国际上首次实现了大面积二维金属材料制备。
杜罗军：我们这次是真正地实现，它是一个真正的二维金属，它的面积比以前大几个数量级，它和衬底之间没有任何的化学键的相互作用。我们可以毫无疑问地说是国际上首次实现了一个真正的二维金属。
原子极限厚度二维金属的实现补充了二维材料家族的一大块拼图，有望衍生出各种宏观量子现象，促进理论、实验和技术的进步，成为实验探索量子霍尔效应、二维超流／超导、拓扑相变等的绝佳载体。张广宇表示，就像三维金属引领了人类文明的铜器、青铜和铁器时代，原子极限厚度的二维金属有望推动下一阶段文明的发展。
张广宇：二维金属在未来是有非常大的一个应用的潜力，比如说在小型化的器件，在量子信息处理和存储，在超灵敏的探测方面，都会有潜在的应用场景，比如说它可以作为芯片的导线，或者是芯片的一些核心的材料。
文章转载自：新材料邦
