最近中國科學院物理研究所的科研團隊，成功實現了厚度僅為頭發絲直徑的二十萬分之一的單原子層金屬， 這是國際上首次實現大面積二維金屬材料的制備，可以說開創了二維金屬研究的新領域。3月13日，相關研究成果以《埃米厚度極限二維金屬的實現》為題發表在了國際學術期刊《自然》上。

什么是二維材料？

在日常生活中，人們見到的材料都是三維的，也就是具有一定長度、寬度、高度，但如果把其中一個維度抹平，那就是二維材料。例如一頁紙，看上去只有長和寬，厚度經常被我們忽略不計。而在材料科學領域，二維材料就是厚度僅為單個原子或者少數幾個原子的材料，一般厚度僅僅是一張A4紙的百萬分之一。

你可能會說？那其實也還是有厚度的，不是真的二維啊。確實，這個所謂的二維材料啊，更多是物理性質上的二維，更進一步來說是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度上自由運動的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱。除了二維還可有一維材料和零維材料。

一維材料是指電子僅在一個非納米尺度方向上也就是沿直線自由運動，具有代表性的如碳納米管。零維材料是指電子無法自由運動的材料，如量子點、納米顆粒與粉末。

也就是說大家認為的沒有錯啊，三維的世界中不會直接存在純粹的二維物體，再小再細也是三維的。所謂的0維到3維材料，它是電子行為被限制的尺度而非時空尺度，并非科幻作品中的二向箔。

在過去的近一個世紀的時間里，學界曾普遍認為二維材料是不可能穩定存在的，直至2004年曼徹斯特大學（University of Manchester）Geim 小組成功分離出單原子層的石墨烯，才被提出來。后續又有一些其他的二維材料陸續被分離出來，如：黑磷、錫烯、硅烯、氮化硼、二硫化鉬、二硒化鎢等。此后，各種各樣的新二維材料陸續被發現，二維材料家族迅速擴大，目前實驗可獲得的二維材料就達數百種，通過理論預測的更是接近2000種。可以說二維材料極大顛覆了人類對材料的原有認知，這一發現引領了凝聚態物理、材料科學等領域的系列突破性進展，開創了基礎研究和技術創新的二維新紀元。

目前除石墨烯外，科學家們已發展出了五大體系的二維材料：

二維材料大家族

MXenes（超薄碳化物或氮化物二維材料）、Xenes（單原子層單質二維材料）、Organicmaterials（有機二維材料）、TMD（過渡金屬二硫族化物）以及Nitrides（氮化物）。

二維材料因其載流子遷移和熱量擴散都被限制在二維平面內，使得這種材料展現出許多奇特的性質。其中石墨烯以其突出的高載流子遷移率、高強度、高透光率、優良的導熱能力等特點，無論是在理論研究還是應用領域，都引起了全世界科研人員的極大興趣。但這些二維材料基本都局限在范德華層狀材料體系內。層狀材料就類似千層餅的結構，它的三維母體原子層通過弱的范德華力相連，人們可以通過剝千層餅的方式，取下一層原子獲得二維單層材料，用膠帶撕出單層石墨烯就是典型代表。但事實上，層狀材料也并不普遍，在材料數據庫中，非層狀材料占比超過97.5%，例如生活中隨處可見的金屬。不同于層狀材料，金屬是高度對稱的非范德華材料，就好像四面上下全包圍焊接一樣，各向同性且強的金屬鍵，導致二維金屬的制備頗具挑戰性。不過在過去幾年中，科學家也不是不能制造這種單層原子厚度的金屬，只是尺寸小面積不夠大，而且非常地不穩定。也就是說光厚度薄是不夠的。厚度可以到一個原子，而面積僅幾十個原子，或者很快就被破壞掉了，那么這個二維物理性質是不夠明顯的。而這次科研團隊是首次實現了“大面積”二維金屬材料的制備，同時首次實現了環境穩定的二維金屬材料。

那是怎么做到的呢？

中國科學院物理研究所的科研人員研發了一種原子級制造的范德華擠壓技術。先制備一個達到原子級平整度的壓砧，用兩個直徑為厘米級的藍寶石為砧板，每個砧板上面都覆蓋著一層高質量單層二硫化鉬（MoS2），它提供了什么呢？就是原子級平坦的表面，來確保這個金屬厚度上的均勻。這就是科學家們打造的原子級鐵鉗。再用它擠壓熔化的金屬液滴，全程需要保持溫度均勻，同時精確控制壓力梯度，逐漸去壓這個金屬液滴，讓金屬原子緩緩地鋪展成完美的單層，之后緩慢冷卻成型，一片厚度僅為頭發絲直徑20萬分之一的大尺度二維金屬便誕生了，達到了單原子層厚也就是埃級。這意味著如果咱們把一塊邊長3米的立方體金屬塊壓成單原子層厚，甚至可以鋪滿整個北京市的地面。

這項技術的關鍵之處在于，采用的壓砧要達到原子級平整、表面無懸掛鍵的材料。這種擠壓法實現了原子極限厚度下各種二維金屬的普適制備，包括對鉍、錫、鉛，銦和鎵等金屬的二維制備。也為二維金屬合金、非晶和其他二維非層狀材料開辟了有效的原子級制造方案。

經過這個擠壓法，誕生的是一種如同三明治一樣的材料，是三層的，二維金屬被夾在中間，上下兩層是二硫化鉬，這種封裝保護它不暴露在外部環境中，就像是給二維金屬穿上了生存鎧甲，后面的試驗結果也表明經過二硫化鉬MoS2封裝的二維金屬很穩定，在超過1年的實驗測試中沒有性能退化。

這就好比為金屬重塑了金身，被困在層狀材料中的千層餅游戲局面被打破了。二維金屬的制備超越了當前二維層狀材料體系，等于是為二維材料家族擴展了一大塊拼圖。

它將有什么應用？

以單層鉍金屬為例，它比塊體鉍的室溫電導率高一個數量級以上，展現出巨大的非線性的霍爾電導率，預示著它可以在光電子器件中使用，為低功耗全金屬晶體管和高頻器件提供了新思路。

它這個原子極限厚度，使得這個金屬的晶體管成為可能。可以為超微型低功耗晶體管、高頻器件、透明顯示、超靈敏探測、以及極致高效催化等眾多領域帶來技術革新。這個二硫化鉬的封裝可以讓這些材料在實際的應用中更加實用穩定。在二維材料領域，石墨烯誕生于英國，那么二維金屬將貼上中國標簽。或者說我國科學家在二維金屬領域的貢獻，其革命性可與石墨烯比擬。

最后，引用央廣網采訪參與該項工作主要人員的一段話，三維金屬的應用和冶煉技術引領了人類文明的銅器、青銅和鐵器時代，而原子極限厚度的二維金屬，有望推動人類下一階段文明的發展。（這段可改變一種表述方式）

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08711-x

https://www.cas.cn/cm/202503/t20250313_5049866.shtml

https://www.cas.cn/cm/202503/t20250313_5049857.shtml

https://www.cas.cn/syky/202503/t20250313_5049836.shtml

https://wenku.baidu.com/view/e982b3a727c52cc58bd63186bceb19e8b9f6ec9c.html?_wkts_=1742013212008&bdQuery=%E4%BA%94%E5%A4%A7%E4%BD%93%E7%B3%BB%E7%9A%84%E4%BA%8C%E7%BB%B4%E6%9D%90%E6%96%99%3A

https://news.cnpowder.com.cn/53163.html

https://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202503/t20250312_7552540.html

https://baike.ofweek.com/6708.html

http://m.xincailiao.com/news/app_detail.aspx?id=138515

本文為科普中國?創作培育計劃扶持作品

作者：房廣林

審核：羅會仟 中國科學院物理所 研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 科普中國創作培育計劃

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