在材料科學(xué)的廣袤領(lǐng)域中，二維材料一直是前沿研究的焦點(diǎn)。從 2004 年單層石墨烯的發(fā)現(xiàn)，如同在平靜湖面投入巨石，激起千層浪，二維材料家族迅速擴(kuò)張，目前實(shí)驗(yàn)可獲得的二維材料已達(dá)數(shù)百種。但長(zhǎng)久以來(lái)，這些二維材料多局限在層狀材料體系，而佔(zhàn)據(jù)材料世界重要地位的金屬，大多為非層狀材料，如何將金屬 “重塑” 為二維材料，成為科學(xué)界的一大難題。
單層二硫化鉬封裝的單層金屬鉍（圖源：中國(guó)科學(xué)院物理研究所）
中國(guó)科學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)在這一難題上取得了重大突破，而其中，看似平凡卻又無(wú)比神奇的二硫化鉬（MoS2），成為了解開(kāi)謎題的關(guān)鍵鑰匙。
二維材料，因其僅具單個(gè)原子層或幾個(gè)原子層的厚度，在材料科學(xué)領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟。這一特殊的超薄結(jié)構(gòu)，打破了傳統(tǒng)材料的固有模式，開(kāi)啟了全新的探索維度。在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，二維材料宛如一把鑰匙，解鎖了低維度空間下量子力學(xué)的神秘寶箱。原子層的極致薄使得電子行為被重塑，其運(yùn)動(dòng)被局限於二維平面，電子間相互作用因此顯著增強(qiáng)，催生了量子霍爾效應(yīng)等奇特現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)深化了對(duì)微觀物理規(guī)律的認(rèn)知，為量子電子器件的創(chuàng)新築牢根基。
材料科學(xué)方面，二維材料憑藉原子級(jí)厚度帶來(lái)的超高比表面積，擁有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料的表面活性位點(diǎn)。這一特性使其在催化反應(yīng)中能高效加快反應(yīng)速率、精準(zhǔn)把控選擇性，在氣體吸附上可迅速捕捉特定氣體分子，助力環(huán)境監(jiān)測(cè)與氣體分離。正因二維材料在多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，已成為全球科研聚焦的前沿?zé)狳c(diǎn)，持續(xù)推動(dòng)著科技的革新與進(jìn)步。
研究人員表示，“不同於層狀材料，金屬材料的每個(gè)原子在任意方向均和周?chē)佑袕?qiáng)的金屬鍵相互作用。如果將層狀材料比作‘千層餅’，那麼金屬材料就好比‘壓縮餅乾’。因此，將金屬材料‘重塑’為二維材料，要比層狀材料難得多?！?/p>
二硫化鉬圖片
在此次具有開(kāi)創(chuàng)性的研究中，科研團(tuán)隊(duì)巧妙地運(yùn)用了二硫化鉬。他們先將金屬熔化，隨後利用團(tuán)隊(duì)前期精心製備的高品質(zhì)單層MoS2壓砧進(jìn)行擠壓操作。這一創(chuàng)新性的方法，成功實(shí)現(xiàn)了多種二維金屬的普適製備，鉍、錫、鉛、銦和鎵等金屬在二硫化鉬的 “助力” 下，順利完成了從常規(guī)狀態(tài)到二維狀態(tài)的神奇轉(zhuǎn)變，厚度僅為頭髮絲直徑的二十萬(wàn)分之一。
據(jù)悉，中國(guó)科學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)製備的二維金屬材料不僅實(shí)現(xiàn)了橫向尺寸的大幅提升，而且具備良好的環(huán)境穩(wěn)定性，在超1年的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中都未出現(xiàn)性能退化的情況。這一成果得到了國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》審稿人的高度認(rèn)可，認(rèn)為它有力地推動(dòng)了二維金屬領(lǐng)域的科學(xué)研究，是二維材料研究領(lǐng)域的重大進(jìn)展。
二維金屬材料具有廣闊的應(yīng)用前景，有望推動(dòng)超微型低功耗電晶體、高頻器件、透明顯示、超靈敏探測(cè)、極致高效催化等諸多領(lǐng)域的技術(shù)革新。而這一切成就的背後，二硫化鉬功不可沒(méi)。它憑藉獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，為金屬材料向二維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變提供了可能，成為了打開(kāi)二維金屬材料新世界大門(mén)的關(guān)鍵力量。
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