超薄材料的超级大国

近年来，联网设备已经占领了一系列新的领域-手腕、冰箱、门铃和汽车。但对一些研究人员来说，“物联网”的传播还远远不够。

麻省理工学院的电气工程师托马斯·帕拉西奥斯(Tomás Palacios)最近表示：“如果我们能够将电子嵌入到几乎所有的东西中，那会是什么样子。”“如果我们在高速公路内利用太阳能电池收集能量，并在隧道和桥梁中嵌入应变传感器来监控混凝土，会怎么样？”如果我们可以往外看，把天气预报放在橱窗里会怎么样？或者把电子产品放到我的夹克上来监测我的健康？“。

2019年1月，帕拉西奥斯博士和他的同事在“自然”(Nature)杂志上发表了一篇论文，描述了一项可以让这一未来变得更近的发明：一种天线，可以吸收环境中日益浓厚的Wi-Fi、蓝牙和蜂窝信号，并有效地将其转化为可用电能。

这项技术的关键是一种很有前途的材料：二硫化钼，或称MoS₂，沉积在只有三个原子厚的一层中。在工程界，事情不可能变得更薄。

而且瘦是有用的。例如，一层mos₂可以将桌子包裹起来，并将其变成笔记本电脑充电器，而不需要任何电源线。

像帕拉西奥斯博士这样的研究人员认为，二维材料将成为万物互联的关键。它们将被“画”在桥梁上，并形成传感器来监测应变和裂缝。它们将用只有在显示信息时才可见的透明层覆盖窗口。如果他的团队的无线电波吸收器成功，它将为这些无处不在的电子设备供电。越来越多地，未来看起来很平坦。

加州劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造的2-D材料研究员杰夫·厄本说：“这绝对是爆炸性的兴趣。”“没有其他的方式来描述它。”

对二维化学的狂热始于2004年，当时曼彻斯特大学的两名研究人员使用玻璃纸胶带从石墨大块中剥离了一原子厚的碳层，形成了石墨烯。石墨烯在组成上与石墨和金刚石相同，但它的薄薄赋予了它非常不同的特性：它灵活、透明、极其坚固，是一种特殊的电导体和热导体。

研究人员很快就开始用它制造各种新的和改进的小玩意儿。最近，几家公司发布了由石墨烯制成的带有隔膜的耳机-在音频设备中产生声音的振动膜。一些涂料制造商正在他们的配方中添加石墨烯，以制造更持久的涂料。去年10月，华为推出了Mate 20X，这是一款大而强大的手机，使用石墨烯来帮助冷却处理器。三星使用石墨烯开发了一种充电速度更快的电池，这种电池可能在不久的将来出现在手机中。

厄本博士正在用二维材料改进燃料电池，燃料电池作为绿色汽车的清洁推进系统已经引起了人们的兴趣。大多数燃料电池利用氢气发电，但即使在高压下，氢气也比同等数量的汽油占用数倍的空间，这使得在汽车上使用氢气是不现实的。

取而代之的是，厄本博士将氢原子嵌入到比气体密度大得多的固体中。今年3月，他和他的同事们宣布了一种新的存储介质：包裹在称为石墨烯纳米带的窄条中的微小镁晶体。他们发现，以这种方式储存的氢可以提供几乎与相同体积的汽油一样多的能量，同时重量要轻得多。

厄本博士将这一过程比作烘焙巧克力碎片饼干，在烘焙过程中，镁是巧克力碎片的关键部分，因为它含有氢气。他说：“我们想要一块巧克力片饼干，里面要尽可能多的巧克力片。”石墨烯纳米带可以做很棒的曲奇团。纳米带还帮助氢快速进入和离开镁晶体，同时将氧拒之门外，氧与氢争夺晶体中的空间。

厄本博士在高级光源(Advanced Light Source)观察超薄领域，这是一个圆顶实验室，可以看到旧金山和邻近海湾的广阔景色。在那里，电子被加速到接近光速，产生强大的X射线，可以用来精细地探测材料的原子结构。

在ALS，厄本博士和他的同事们确切地了解了石墨烯是如何包裹在镁上并与镁紧密结合的。他们认为，正是这些键使复合材料长期稳定-这是现实世界使用的一个重要特征。

在其他地方，研究人员正在将超薄的材料层堆叠成三维块，这些块具有不同于2-D和传统3-D材料的特性。

加州大学伯克利分校(University of California，Berkeley)化学家夸贝纳·贝迪亚科(Kwabena Bediako)去年在《自然》(Nature)上发表了一项研究，描述了他和同事如何在包括石墨烯在内的多层二维材料之间嵌入锂离子。

他说：“我们从一片面包开始，抹上一些蛋黄酱，然后放到奶酪上，再放到火腿上。”“你可以想做多少次就做多少次，然后做一个三明治。”

通过改变三维堆叠中的不同层，研究人员能够微调材料存储锂的方式，这可能会导致用于电子设备的新的大容量电池的开发。

麻省理工学院材料科学博士后臧西宁(音译)最近发现了一种令人惊讶的简单方法，可以用明胶建造一堆2D材料，明胶是制作果冻和棉花糖结构的原料。她和几位同事将明胶、金属离子和水结合在一起。明胶自我组装成层(就像它形成果冻时一样)，从而也将金属离子排列成层。然后，明胶中的一些碳与金属反应生成二维金属碳化物薄片；这些金属碳化物充当催化剂，帮助将水分解为氧气和氢气，这一过程可以用来在燃料电池中发电。

“我不愿说这项技术是粗糙的，因为当你想起来的时候，它真的很优雅，”曾在分子铸造公司工作的科学家、该论文的作者内特·霍曼(Nate Hohman)说。“这就是高科技和低技术之间的交界点。”

二维材料正在蓬勃发展的一个地方是新加坡，在南洋理工大学刘铮的实验室里。新加坡被称为花园城市，这个小国积极地在自己的土地上种满了绿色-包括在这所大学里，这所大学在其现代建筑周围的各个空闲角落里都放置了花园。

郑博士认为他的研究是一种不同的培养方式。“我是个园丁，”他说。“那里有一个二维花园，有各种各样的花。它们都很漂亮。“。

去年，郑博士和他的同事们从一类名为过渡金属硫属化合物(TM.C.)的化合物中创造了数十种新的二维材料，从而极大地扩展了这个花园。关键的发现是使用普通的食盐来降低通常熔化金属的温度；这使得金属可以蒸发并沉积在薄膜中。

“有一天，一个学生告诉我，‘我可以用盐做所有的中药，’”郑博士说。“我真的很惊讶。这是我多年来的梦想。“

在郑博士忙碌的实验室里，有一组架子上堆放着透明的密闭容器，这些容器里装着硅片，二维材料就是在硅片上沉积的。根据每种材料中晶体的几何结构，薄膜通常形成一个可见的三角形或六边形。

在胶片沉积后，郑博士的团队将转移到附近的实验室详细研究由此产生的结构。房间里摆放着一台透射电子显微镜，它高达12英尺，重达1.5吨--这是一台用于观察单个原子的巨型设备。

许多TMC，包括帕拉西奥斯博士用来吸收无线电波的MOS型₂，都显示出各种工业用途的潜力。新加坡实验室制造的二维铂硒化物可以制造更便宜的燃料电池，这种电池通常使用贵金属铂来分离氢原子的质子和电子。郑博士说，改用二维硒化铂可以减少99%的铂使用量。南洋理工大学正在与制造商就该技术商业化进行谈判。未来还不是二维的，但它正变得越来越近。

“我看到了这种材料的巨大商业潜力，”郑博士说。“我们可以在市场上产生巨大影响。”