首次制造出只有單個原子厚的金烯！制造二維材料有多難？

作者：陳佳君

相信許多人都聽說過石墨烯，這是一種由碳原子組成、僅有一個原子厚的二維材料。自從石墨烯在2004年被發(fā)現(xiàn)以來，它憑借獨特的性能引起了廣泛關(guān)注。這也激發(fā)了科學(xué)家們對其他二維材料的探索。2024年4月16日，《自然·合成》雜志發(fā)表的一項新研究宣布，二維材料家族迎來了一位重量級新成員——金烯（goldene）。這是研究人員首次成功地制造出了只有一個原子層厚的二維金薄片。

為什么制造像金烯這樣僅由金屬構(gòu)成的二維材料這么難呢？這是因為金屬原子傾向于聚集成團，形成三維的納米顆粒，而不是形成穩(wěn)定的二維單原子層。這一特性給科學(xué)家們帶來了極大的挑戰(zhàn)，特別是在金這種貴金屬上實驗時，控制其原子排列變得更加困難。

研究團隊從一種名為碳化鈦硅（Ti?SiC?）的導(dǎo)電陶瓷材料入手。這種材料有著良好的導(dǎo)電性和層狀結(jié)構(gòu)，它包含了一層硅，夾在碳化鈦片之間。當(dāng)研究人員在這種材料表面覆蓋一層金，并將其暴露于高溫下進行加熱時，出現(xiàn)了一個意想不到的現(xiàn)象：硅層被金原子替代，形成了一種全新的材料**——**碳化鈦金（Ti?AuC?）。這種現(xiàn)象被稱為插層（intercalation）。

圖：碳化鈦硅（Ti?SiC?）中的硅被金所取代，形成碳化鈦金（Ti?AuC?）。

雖然幾年來研究人員嘗試過從碳化鈦金中剝離出金層，但一直未能成功。一次偶然的機會，研究人員注意到了一種在日本鍛造藝術(shù)中使用了一百多年的方法。這種方法利用一種名為村上試劑（Murakami's reagent）的化學(xué)制劑，能夠刻蝕殘余的碳，并在刀具制造過程中改變鋼材的顏色。

這啟發(fā)了研究人員，或許可以利用這種試劑刻蝕碳化鈦金中的Ti?C?層。為了獲得最優(yōu)的效果，研究人員修改了村上試劑的配方。他們嘗試了有著不同濃度的村上試劑，以及從一天到數(shù)月不等的刻蝕時長。他們注意到，濃度越低、刻蝕過程越長，最終效果就越好。

但還有一個挑戰(zhàn)，在刻蝕過程中，暴露于光線會產(chǎn)生氰化物，而氰化物會溶解金。因此，整個過程必須在黑暗中進行，以保護金層。

一旦金薄片被分離出來，研究人員就需要解決如何維持二維金薄片穩(wěn)定性的問題。在實驗中，研究人員觀察到刻蝕生成的二維金薄片容易發(fā)生卷曲和團聚。為了解決這一問題，他們加入了一種表面活性劑，它可以在金烯的表面形成保護層，防止薄片相互粘連，從而保持其平整和穩(wěn)定。

最終，研究人員證實了他們成功地制造出了穩(wěn)定的、只有單原子厚的二維金薄層——金烯。

金烯的發(fā)現(xiàn)不僅為二維材料的家族增添了一位重量級的新成員，還為科學(xué)家們探索由貴金屬構(gòu)成的二維材料開辟了新的道路。與傳統(tǒng)的金納米顆粒相比，金烯的獨特之處在于，每個金原子僅有6個相鄰原子，而非三維晶體中的12個。這種獨特的性質(zhì)讓研究人員對它的未來應(yīng)用充滿期待。無論是在二氧化碳轉(zhuǎn)化、產(chǎn)氫催化，還是在水凈化和先進通信技術(shù)中，這種單原子厚的金薄片都可能成為變革的核心材料。

需要特別注意的是，村上試劑在蝕刻過程中可能會引入鐵雜質(zhì)，從而影響金烯的純度和催化性能。因此，研究人員正致力于優(yōu)化金烯的合成工藝，以提升其穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。此外，如何在大規(guī)模生產(chǎn)中保持金烯的高質(zhì)量和一致性，也是未來應(yīng)用中需要克服的難題。

從最初的石墨烯到如今的金烯，二維材料的研究讓我們看到了如何通過改變材料的原子排列結(jié)構(gòu)，釋放出前所未有的新性能。金烯的成功制備不僅揭示了一種嶄新的材料形態(tài)，也預(yù)示著更多二維貴金屬材料的誕生。隨著科學(xué)家不斷探索新的制備方法和應(yīng)用場景，金烯及其衍生的材料有望在環(huán)保技術(shù)、清潔能源、精密醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，推動我們邁向更加可持續(xù)和高效的未來。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.172502

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者名稱： 陳佳君

審核： 穆云松 中國人民大學(xué)化學(xué)與生命資源學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系主任

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司