“人類過去4000年的發(fā)展，從瓷器時代到青銅時代再到鐵器時代，每個時代都有一種代表性材料。我們現(xiàn)在生活在塑料與硅的時代，這也是今天人類文明的代表性材料。下一步是什么呢？”在近日舉行的2019中國科幻大會“科技與未來”專題論壇上，2010年諾貝爾物理學(xué)獎得主、英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授安德烈·海姆問道。而他自己給出的答案是：二維材料。
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　　已知的二維材料有成百上千種
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　　2004年，憑借粘在膠帶上的石墨殘片，安德烈·海姆和他的博士后康斯坦丁·諾沃索洛夫分離出如今知名度最高的二維材料——石墨烯，并因此獲得2010年諾貝爾獎。
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　　石墨是三維的，而石墨烯僅由一層碳原子構(gòu)成，因此就成了二維材料。安德烈·海姆介紹，石墨烯具備一系列卓越的性能：你能想象到的最薄的材料、比表面積最大的材料、目前已知最堅固的材料、延展性和柔韌性最強的晶體、導(dǎo)熱性打破已有紀(jì)錄……
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　　“這是材料的二維革命。”安德烈·海姆說，15年前，人們先驗地認為這些材料是不可能存在的。如今，科學(xué)家已經(jīng)知道成百上千種其他二維材料的存在和性質(zhì)。
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　　安德烈·海姆介紹，目前全球范圍內(nèi)有成千上萬研究人員在研究二維材料，很多中國大學(xué)都有這樣的研究團隊或研究人員。同時，世界上有數(shù)千家公司在研發(fā)石墨烯產(chǎn)品，包括眾多中國公司。
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　　“石墨烯的優(yōu)越特性讓它可在很多消費產(chǎn)品中得到應(yīng)用。”安德烈·海姆介紹，目前市場上已經(jīng)有含有石墨烯的電池，它不僅產(chǎn)生的熱量少，而且充電速度大為提升。還有人嘗試把石墨烯應(yīng)用在跑鞋上，讓跑鞋壽命延長40%；或者將其應(yīng)用在跑車上，讓跑車更加輕盈的同時，既堅固又抗沖擊。
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　　從三維到二維物理特性會巨變
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　　“石墨烯已經(jīng)在很多領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛應(yīng)用。但其他大部分二維材料仍處于實驗室研究階段，科研人員仍在對它們的制備成本、各種性質(zhì)和應(yīng)用潛力進行優(yōu)化和探索。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授朱彥武在接受科技日報記者采訪時說。
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　　記者了解到，由單層原子構(gòu)成的錫烯、二硫化鉬和黑磷等，都是當(dāng)前二維材料領(lǐng)域的研究熱點。
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　　“理論上很多三維材料都有‘二維化’的可能。”朱彥武介紹，從三維到二維，很多材料的物理特性會發(fā)生巨大變化。
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　　一個最明顯的變化是，二維材料的厚度非常薄，因此會擁有非常大的比表面積，這就有潛力用作高性能負載或者過濾材料。再比如，由于石墨烯中的電子遷移速度非?？欤┢骷捻憫?yīng)速度可得到提升，同時驅(qū)動電子所用的電場和電勢就可以降低，這將減少一些基于二維材料的器件功耗。
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　　實際上，隨著芯片尺度越來越小，芯片上的晶體管數(shù)量接近極限，這意味著摩爾定律日益逼近“天花板”。而二維材料的巨大應(yīng)用前景之一就是用于制造新型半導(dǎo)體器件，從而打破摩爾定律的“天花板”，但這并非易事。
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　　“從基礎(chǔ)科學(xué)研究的角度來講，材料的維度降低以后，其中涉及很多納米科學(xué)和表界面科學(xué)相關(guān)的問題，科研人員仍然沒有完全搞清楚。這是二維材料研究目前面臨的難題之一?！?朱彥武認為，從某些方向或角度首先尋找到二維材料的應(yīng)用突破口，將可能刺激或者鼓勵二維材料研究領(lǐng)域的進一步發(fā)展。
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