黑金如乐高般神奇的新材料之王（黑金如乐高般神奇的新材料之王）

石墨烯（Graphene），俗称黑金，最初由科学家通过特殊方法从石墨中分离出来，是目前人类发现的强度最大的准二维材料。石墨烯的发现引起了科学界的广泛关注，在电子信息、医药、航天等领域都得到了长足的发展。

石墨烯是一种由碳原子杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。石墨烯因十分良好的强度、柔韧度、导电性、导热性以及光学特性，被称为新材料之王。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）也因成功使用微机械剥离法从石墨中分离出石墨烯，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

其实像石墨烯这样的二维材料在自然界并不少见，很多都拥有与石墨烯类似的特性。通过特殊的搭建技术，这些二维材料可以拼接成人们所需要的三维材料。这种如搭建乐高般组建二维材料的方法，为很多新材料的发现提供了可能。

二维原材料石墨烯

二维材料的分离与重新组建

理论上说，几乎所有的三维材料都可以找到其对应的二维材料。例如：硅烯（硅的单层）、磷烯（磷的单层），还有一些过渡金属硫化物（TMDCs）的原子单层，如二硫化钼（MoS₂）和二碲化钼（MoTe₂）。目前科学家正在研究各种方法，试图分离出这些二维材料，其中最常见的方法是机械剥离法和外延生长法，例如石墨烯就是使用机械剥离法从石墨中分离出来的。

但在实际操作中，分离出二维材料依然有很多困难，只有耐热性强且化学成分稳定的材料才易被分离成单原子层。而且许多金属单层即便被分离出来，也会在很短的时间内腐蚀或氧化。

由二硫化钼、六方氮化硼、石墨烯搭建起来的复合材料

只要拥有某种二维材料，就可以将带有不同特性的材料组建成“复合材料”。例如，半导体可以和磁铁组建起来，金属可以和超导体组建起来，可以结合的材料还有很多。具体创建过程中，需要依靠精确到原子的扫描隧道显微镜，创建原理是利用带电流的原子探针将单层原子移动，目前科学家已使用该方法成功将石墨烯和六方氮化硼组建成复合材料。

扫描隧道显微镜

全新功能

基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向，其在能量储存、液晶器件、电子器件、传感材料等领域展现出了优良性能，具有广阔的应用前景。例如，石墨烯可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下，目前勇挑大梁的以硅为材料的晶体管在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性。

另外，二维材料的发展还能促进计算机更快速地运转。计算机芯片是由大量晶体管制作而成，工作原理是在半导体材料上运输电子。随着二维材料的发展运用，半导体材料可以制作得如电子般轻薄，晶体管越小，电脑芯片可以承载的晶体管越多，自然就会带来速度更快的处理器。

钙钛矿的单层

另外，基于石墨烯的复合材料可用于生产高效灵活太阳能和燃料电池，这些复合材料正被用来开发下一代电池和超级电容器，以保证快速充电和扩展的能量输出。目前科学家正在努力寻找各类二维材料，例如二维版本的钙钛矿，以用来改善LED屏幕。

新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域，石墨烯超级电池的成功研发，解决了新能源汽车如特斯拉汽车电池容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺平了道路。

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