开启二维材料新世界

  长期以来，人们对二维结构的晶体了解不多。二维晶体以平面形式存在，犹如将三维晶体减薄至一个原子层厚。传统理论认为，准二维晶体结构因其热力学不稳定性在自然界中根本不可能找到。直到2004年，安德烈·海姆与其同事康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次从高定向热解石墨上成功分离出单层石墨片——石墨烯，用事实证明二维材料可在常温常压下稳定存在。

  可以说，石墨烯的发现开启了二维材料的世界之门。海姆指出：“石墨烯并非独一无二的二维材料，还有很多二维材料具有特殊性能，可能在某一些应用中表现更好。除石墨烯外，还有很多同石墨烯相似的材料值得探究。”

  例如，磷烯是一种从黑磷剥离出来的有序磷原子构成的单片材料。它的一些特性可被应用于多个领域。而且，黑磷的非线性光学特性已被多家机构证实可用于产生超快激光。预计不久的将来，它将成为“第二个石墨烯”。

  硅烯是一种只有单层原子厚，同时可在银表面生长的材料，拥有一些和石墨烯类似的材料属性，但同时还有一些更加优秀的特征，包括更低的对称性组、更强的自旋—轨道耦合。研究人员正在探究，它也许更适合与硅基电子器件集成，成为石墨烯的竞争对手。

  原子层上做乐高拼接

  对石墨烯而言，研究人员可在其原子层上做各种拼接，仿佛儿童在玩乐高积木。如将石墨烯以堆垛方式一层一层叠加，生成三维石墨；把石墨烯卷曲成圆筒状，变成一维碳纳米管；将石墨烯制成球状或椭球状，得到零维的富勒烯。由此，石墨烯可作为组成其他碳材料的结构基础。

  海姆指出：“把石墨烯与其他材料进行人为整合，花费几周时间将原子搭配设计出一个复杂的结构，会让石墨烯更加有‘魔力’，并在此基础上对这些物质的不同特性展开深入研究。这类研究成果可称为石墨烯3.0。”

  例如，以石墨烯为基体制备纳米复合物材料的研究拓展了石墨烯的应用。目前对于石墨烯的复合方法主要有三种：一是进行表面修饰或元素掺杂，使其能在不同的溶剂中形成稳定分散体系；二是让其负载金属或金属氧化物等无机纳米颗粒，这类复合材料在催化、生物传感、电池、超级电容器等方面将有着广泛应用；石墨烯与高聚物复合可在机械性能、光伏电池、超级电容器等方面展现出较为优异的性能。

  当然，目前石墨烯复合材料的研究还面临许多问题和挑战，如石墨烯与无机纳米颗粒的相互作用机理、与高聚物的相容性、复合材料应用的拓展与深入等，仍亟待进一步深入研究。

  丢弃物中的惊人发现

  在制备石墨烯时，人们往往把注意力集中在石墨烯上，而海姆团队却不放过研究剥离单层石墨烯后通常被丢弃的材料。

  海姆说：“放大剩下的石墨块晶体是一个二维真空区，里面有许多像超细毛细管的结构形状，约有15纳米。当我们对其做水的运输测试时惊奇地发现，水流通过这种超窄毛细管时，几乎无障碍和没有摩擦，达到1米/秒的流速，而且管壁非常平滑，水的滑移距离比较长。”

  海姆团队解释说，这是一种全新的纳米尺度系统，其毛细管道的精密度无法想像。更重要的是，这些超微毛细管可制备多种材料，不仅可以控制毛细管尺寸，还可调变毛细管壁的性能。这些材料未来有望用于新型过滤、海水淡化和气体分离技术等领域。

  海姆补充道：“在石墨烯基础研究中很多的科学发现让人吃惊，而让新发现的材料变得有用是非常酷的，其中将有无数个研究和开发的可能性有待探索。这样的研究深深地影响到我们。”

  无疑，石墨烯的发现为研究者提供了一个充满魅力和想像空间的研究对象，而跟着“石墨烯之父”学习如何做基础研究，可谓不断刷新着创新视野。相信不久的将来，“多面手”的石墨烯定会在很多领域带来颠覆性的变革。