从石墨烯开始，人类正在穿越元素周期表_风闻

文/观察未来科技

在人肉眼可见的尺度里，镜子是平的，餐桌是平的，道路是平的，湖水也是平的，这种平面，其实就是二维空间。而当这尺度缩小至纳米范围或是埃米范围时，所展现出来的“平面”材料，也就是二维材料。

二维材料与三维材料截然不同，并展现出独特且极具潜力的物理和化学特质，石墨烯就是二维材料最典型的例子。当然，从石墨烯开始，二维材料还在陆续发现的过程中，当前，二维材料已经成为一个成员众多、种类繁多的大家族。而这些发现，正在带领人们穿越元素周期表，走向一个开放的材料世界。

从石墨烯开始

在纳米的尺度里，科学家们把材料分成了四类，分别是零维材料、一维材料、二维材料和三维材料。

零维材料是指电子无法自由运动的材料，如量子点、纳米颗粒与粉末。一维材料是指电子仅在一个纳米尺度方向上直线运动，比如，纳米线性结材料、量子线，其中，最具代表的则是碳纳米管。三维材料则是指电子可以在三个非纳米尺度上自由运动，如纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒结构。

就二维材料而言，由于早期关于单原子厚度的薄膜实验以失败告终，科学家原本计划通过蒸发金属生成单原子薄片，结果却得到了球状体，一切似乎都证明二维材料是不可能存在的**，****直到科学家分离出石墨烯，**二维材料才被确认存在。

石墨烯是在使用铅笔的时候无意中制成的。铅笔的主要材料是石墨，而石墨又是碳元素的一种形式，石墨烯则是指单层石墨。实际上，科学家更早以前，就知道一种只有单个原子厚的晶体石墨烯，**但直到2003年，曼彻斯特大学的两名教授才研究出如何从石墨中得到石墨烯。得到石墨烯的方法也很简单，就是用一种透明的胶带把石墨剥离下来。**他们的论文两次被拒绝，直到2004年发表在《科学》杂志后才被接受。

石墨烯可能是目前为止世界上最薄的材料——石墨烯是由碳原子构成的六角形蜂巢晶格，并且能吸收2.3%的光，因此，用肉眼就能够看到石墨烯。石墨烯的导电性比铜还好，强度则是钢的200倍，但同时又非常柔韧。石墨烯的厚度则是人类一根头发的直径的一百万分之一，虽然非常轻，却是迄今为止测试过的最强材料。

基于对石墨烯的应用，未来，灵巧可折叠、续航更持久、半透明的手机将成为可能；安装了太阳能电池或超级电容器的、能够通信的衣服也将实现；灵活轻便的电池还可以缝在衣服上。

目前，硅胶等材料能够用于大量储能，但每次充电后电容量就会大大减少。然而，如果用氧化石墨烯作为锂离子电池的阳极，电池在两次充电之间的续航时间会更长，而且充电后电容量几乎不会减少。石墨烯是已知的导电性最好的材料，石墨烯超级电容器能够释放巨大的能量，并且比传统设备更节约能源，还能减轻汽车或飞机的重量。手机等电子设备可以在几秒钟内充电，而不必等几分钟或几小时，这会大大延长其使用寿命。

作为涂层，石墨烯的惰性很强，可以阻隔氧气和水的侵蚀。氧化石墨烯膜在处理液体和气体时形成了完美的屏障，它能有效地把有机溶剂从水中分离出来，并极大地去除混合气体中的水。即使是最难阻挡的氦气，这种薄膜也能作为它的屏障。并且，在未来的车辆和船舶中，石墨烯可以作为耐腐蚀的镀层材料，因为只要条件适宜，石墨烯可以附着在任何金属表面。

**针对可再生能源的缺点，石墨烯还具有储存风能和太阳能的潜力。**由于石墨烯具有半透明的属性，或许可以用于制造智能的、非常坚固的窗户，带有虚拟的窗帘或显示投影图像。另外，石墨烯还可用于生物医学给药、超灵敏传感器、作物保护——石墨烯具有无限的潜力。

如今，全世界都在研究石墨烯。石墨烯的“颠覆性创新”已经成为材料领域的共识，就像人工智能、3D打印、区块链技术、虚拟现实和机器人一样，石墨烯将将取代现有的技术和材料，开辟新的市场。当然，这对于未来材料来说，还远远不够。

穿越元素周期表

虽然石墨烯的确是一项了不起的发现，但在石墨烯之外，仍有许多元素和二维材料等待人类的发现。显然，石墨烯并不等于所有二维材料，实际上，二维材料与二维材料之间并非完全相同，甚至谈不上相近。其中有一些可能是导体，比如石墨烯，而有一些则不是；有些材料结构强韧，有些则不是。而最终，这些材料将与石墨烯相结合，共同创造出更具独特性质的新材料**。**

如前所述，石墨烯是由碳原子构成的，碳原子之间的连接度比金刚石更为紧密。另外，碳原子间特有的连接方式让碳平面上下方的p轨道实现啮合，从而形成石墨烯超乎寻常的电子性能。要知道，碳结构可塑性极强，能够形成一至三种不同几何形状的化学键，这使其的适用范围远大于人们的想像。

其中，在适当条件下，石墨烯可以实现分解还原。也就是说，p轨道能够同其他原子相结合，却不会同相邻的碳原子结合。而氢原子则成为了这种反应的第一选择，这也就是还原反应。如果在石墨烯中加入氢，二维的晶体结构就会被还原为石墨****烷（****每个碳原子都拥有单独对应的氢原子）。在这种情况下，还原反应将改变石墨烯的特性，使其不再具有导电性。

尽管在还原反应下，石墨烯不再具有导电性，但此时．石墨烯的高比表面积便成为其独具的优势。因为每一个碳原子都可以直接暴露在表层。当氢被引入表层石墨烯时，氢原子将会与表层碳原子中的一半结合起来。氢之所以不与所有碳原子相结合，是因为在那样的情况下，原子间会产生排挤现象。

与此同时，碳和氢之间的化学反应还存在一个现象，就是两者形成的化学键并不牢固**。**伴随着石墨烯及其衍生物范围的扩大，石墨烯必将在电力的生成、管理和使用方面发择更大作用。在制造可充电氢燃料电池的过程中，石墨烯便有可能成为重要原料之一。当加热到 450°时．石墨烷会释放出氢原子，而将氢原子聚集在一起便可发电。这种化学反应将石墨烷还原为石墨烯，石墨烯经过冷却便可吸纳更多的氢，这样就形成了可反复充电的电源。

**除了将石墨烯与氢结合外，****在元素周期表上，至少还有 91种稳定元素可以研究。**于是，基于其他元素是否能够形成类似石墨烯的结构并且具有同样神奇的特性，科学家们也展开了深入的研究。其中，一个概念解释了具有相似键合结构的化合物为何会呈现出类似的表现特征，那就是等电子性质。

一种材料如果想要与石墨烯具有等电子性质，就需要在轨道云中形成高度近似的电子排列。与碳（硅、铅等）处于同一列的元素就是碳的等电子体，这就意味着，科学家们可以基于近似石墨烯六边形结构的其他元素来发现研究“烯”类分子。硅元素可形成硅烯结构，锗元素可形成锗烯结构。

如今，二维材料已被证明是众多潜在应用中最有希望的候选材料之一，比如电子、光电子、催化、储能、太阳能电池、生物医学、传感器、环境，而大量的新型二维材料又表现出超越了石墨烯的特性，比如，过渡金属二卤化物（TMD包括MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、ReS2、TaS2等）、己醇氮化硼（h-BN）、石墨烯、贵金属二卤化物（NMDs:PdSe2、PtSe2、PtS2等）、等等，可以预见，对于二维材料的持续发现，将有望带来材料领域的爆发，并发挥各个元素的潜能，为人类世界造福。

二维材料的热潮

当然，二维材料家族中的材料数量仍在逐年增加，近年来，二维材料在各个方面都取得了重大突破。

实际上，自然界的矿物中不存在硅或铅的二维薄片。因而，从实现石墨烯的成功分离开始，在研究人员对每一种石墨烯等电子体的表现特征持续研究下，2004年，科学家成功制造出来铅石墨烯，硅烯的制造时问则要推迟至2012 年，接着是2013 年制备出来的锗烯。最后一个是单层锡，直至 2015年才被制成。在为人类利益而不断探索自然规律的过程中，每一种新材料的出现都为人类提供了追寻物理学下一个关键节点的新线索。

并且，等电子化合物并不仅仅局限于碳族元素当中，碳族左右两侧元素的结合也能够形成六角晶格。六边形的氮化硼（h-BN）就是由硼和氮构成的石墨烯状二维单层材料。硼的电子比碳少一个，而氮则比碳多一个；当这两种元素发生反应时，便会形成与石墨烯相同的六边形结构。

尽管在过去十年中，二维材料领域取得了重大进展，但与此同时，这个快速发展的领域仍然面临着一些挑战。

其中，最大的挑战之一就是如何以高度可控的方式合成具有所需结构特征的二维材料，因为二维材料的性能和应用与所有这些结构特征高度相关，包括尺寸、层数、掺杂、缺陷、空位、层间间距，结晶度和相等。

比如，近年来，二维材料的相位被认为是影响其性能和应用性能的关键参数之一。然而，精确设计某些相的纯度、不同相的比率或二维材料的相图案仍然是困难的，而这对其在催化和电子领域的进一步应用非常重要。

**二维材料的另一大挑战是如何实现二维材料的大规模生产或高质量二维薄膜的晶圆级生长以用于实际应用。**现有的湿化学合成和液相剥离方法可以制备出在催化或电池方面具有良好性能的二维材料，但其生产仍不能满足实际工业应用的要求。

二维材料的第三大挑战就是如何防止二维纳米片在存储和应用过程中堆积或聚集，从而避免二维材料的优异性能和性能退化。要知道，二维材料的大横向尺寸和原子厚度赋予了它们许多优异的性能，但也不可避免地使它们在储存和进一步使用过程中非常容易堆叠在一起，这将极大地削弱它们的优势。

考虑到二维材料已被广泛应用，每个具体应用仍然存在挑战。尽管二维材料确实有巨大的潜力通过制造更短的沟道晶体管或基于二维材料构建单片三维集成CMOS电路来超越摩尔定律，但更现实的目标是将二维材料与硅芯片集成，而不是取代硅。

总的来说，石墨烯革命在二维材料领域引起的热潮，必将鼓励科学家们对元素周期表上的其他元素开展深入研究。这也正是现代人们所拥有的炼金术。