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10大革命性技术原子积木搭建新奇材料万芳

发布时间:2020-02-14 12:00:43 阅读: 来源:扎把机厂家

10大革命性技术:“原子积木”搭建新奇材料

将仅有1个原子厚度的片层材料组合到一起,能够制备出具有全新性能与惊人潜力的物质。

撰文 安德烈·K·海姆(Andre K. Geim) 翻译 刘夏

新材料的发现总是会促进人类文明的进步。这是推动人类社会从石器时代到青铜时代,再到铁器时代,最后来到硅时代的动力。

乐高积木是一种很有魔力的塑料玩具,它不断地激发出一个又一个新创意。乐高积木的塑料组件体积很小,能按照不同方式组合到一起,从而变成神奇的汽车、设计巧妙的城堡和许多其他结构。而今天,新一代材料科学家正受乐高积木的启发,将这种组合方式应用到纳米世界。

这里的积木组件是一些层状材料。这些材料最薄可以达到仅有一层原子,可以按照设计好的结构,以精确的顺序一层一层地叠加到一起。这种前所未有的精密组合方式,能够制造出全新的物质,这些物质具备前所未有的电学和光学性能。科学家们进一步设想,可以利用这些物质,制造出几乎没有电阻的导电材料,运算能力更强大、运行更快的计算机,以及可弯曲、可折叠而且非常轻的可穿戴电子器件。

这些突破性的研究,是因石墨烯(graphene)的出现才产生的。石墨烯是一种片状结构的石墨新材料,厚度只有一个原子,其原子结构是一个个重复的六边形,看起来就像铁丝网围栏一样。2004年,我和英国曼彻斯特大学的同事从块状石墨上分离出了单层石墨片——石墨烯,使用的方法是利用胶带从块状石墨顶层剥离出一片片1个原子厚的晶体。过去10年间,研究人员发现了几十种可以用这个方法剥离的块状晶体,而且这样的晶体越来越多。云母(Mica)就是其中的一种晶体,还有一些具有独特名字的材料,如六方氮化硼(hexagonal boron nitride)和二硫化钼(molybdenumdisulfide)。

这些晶体层被认为是二维材料,因为对任何材料来说,其最小厚度就是单个原子厚度(稍厚点的晶体,如3个左右的原子厚度,也可以看做是二维的)。而根据制造者的需求,晶体层的其他尺寸——宽度和长度,可以非常大。由于二维晶体具有许多非常独特的性能,在过去几年里,它们已经成为材料科学和固体物理领域非常热门的话题。

我们可以将这些晶体层非常稳定地叠放在一起。它们并不是按常规方式通过化学键相连的,比如共享电子的共价键。当它们相互靠得非常近时,原子间会通过大家熟知的微弱的范德华力相互吸引。这个力通常不够大,无法将多个原子或分子聚合在一起,但因为这些二维晶体层的原子非常密集,彼此之间的距离也非常近,因此这些力累加到一起,会变得很强大。

为了理解这种材料究竟会带来什么诱人的可能性,我们可以想一下室温超导。要实现无能量损失的电流传输,而且又不需要将设备置于超低温环境中,这一直是几代科学家的梦想。如果发现了可以实现这个目标的材料,对人类文明一定会产生非常深远的影响。研究人员的共识是,原则上这个目标是可以实现的,但没有人知道如何实现。到今天,超导材料的最高临界温度(超导材料从正常态转变为超导态时的温度)也要在-100℃以下。过去20年来,这方面的进展非常有限。

我们最近发现,用我前面描述的方法,可以将许多氧化物(由至少一个氧原子和许多其他元素组成的化合物)超导体分解成厚度为1个原子的片层结构。如果我们换一种顺序,将各层重新组合,并且在中间添加一层其他晶体层,会发生什么呢?我们已经知道,氧化物的超导性依赖于层间距离;我们还知道在晶面之间增加一层额外的晶体层,可以将弱导电甚至绝缘材料变为超导体。测试这一想法的真实实验还没有完成,主要是因为,制备原子尺度的“乐高材料”的相关技术仍然处于初期阶段,而且将复杂的多层结构组合到一起也很困难。

目前,这些结构所含的不同晶体层很少能多于5种,一般只含两种或3种不同的晶体层,一般是由石墨烯片与二维材料(绝缘体氮化硼、半导体二硫化钼、二硒化钨等)组成。因为这种堆叠结构含有多种材料,经常被看作异质结构。它们现在的尺寸都非常小,通常长宽都只有10微米,比头发的横截面还小。利用这些堆叠结构,我们可以通过实验来探索其新奇的电学和光学性能以及新用途。这些结构还有一个有趣的特性:它们不仅非常薄,还非常柔软,而且透明。这就为制备多种形状的发光设备提供了可能:研究人员有机会制备出可折叠的显示屏,当使用者需要大一点的显示屏时,就可以将显示屏展开;也可能制备出新的计算机芯片,耗能要比现在的芯片低很多。

研究人员在研究这类新材料时,如果能有一些重大突破,我们相信,一定会发展出相应的大规模制备技术,以实现其工业应用。就像石墨烯和其他一些二维晶体材料那样。最初制备那些材料时,仅能得到几微米大的微晶,现在我们已经可以得到几百平方米大的片状材料。

目前,还没有人发现这类新材料有什么改变世界的“杀手级应用”,然而,这一领域取得的进步,已经让很多科学家感到兴奋。新材料的发现总是会促进人类文明的进步。这是推动人类社会从石器时代到青铜时代,再到铁器时代,最后来到硅时代的背后力量。纳米尺度的“乐高积木”代表了人类从未制造过的新材料。现在,我们只能猜想未来的一切,但我们相信,这种新材料带来的可能性将是无限的。

--新浪科技

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