二维材料：一种与众不同的材料
在这个科技日新月异的时代，我们正站在一场材料革命的风口浪尖。随着全球对可持续能源和高科技电子产品的需求不断攀升，二维材料以其独特的属性和巨大的应用潜力，成了科研和工业界的新宠。它们的身影已经渗透到我们生活的方方面面，从智能手机的触摸屏到未来的超级计算机，从太阳能电池到精密医疗设备，无处不在。尤其是随着全球“芯片荒”的蔓延，二维材料，特别是石墨烯，因其可能取代硅成为下一代电子设备的关键材料而备受瞩目。那么，二维材料究竟是什么，它们具有哪些独特特性，以及它们将如何塑造我们的未来?
什么是二维材料
二维材料，这个名字听起来就像是来自科幻小说的词汇，但实际上，它们是指电子仅能在两个维度上自由运动的一类非常薄的材料，通常只有一层或几层原子厚。想象一下，如果二维材料是一张纸，那么它的厚度只有普通纸张的十万分之一。这些材料可以由碳、氮、硫、磷等不同的元素构成，构成了一个丰富多彩的二维世界。二维材料特别是石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物、氮化硼比较典型，具有独特的物理和化学性质，在电子学、光学、催化、能量储存与转化等多个领域展现出广泛的应用潜力。
石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，每个碳原子都与其他三个碳原子相连，形成一个六角形的蜂窝状结构。石墨烯的电子迁移率非常高，室温下可达15000平方厘米/伏秒，这意味着电子在石墨烯中移动得非常快。此外，石墨烯还非常坚固，被认为是已知最强的材料之一，其机械强度极高。这些特性使石墨烯在电子器件、复合材料和能源存储等领域具有广泛的应用前景。黑磷是一种由磷原子构成的二维材料，其结构类似于石墨烯，但具有独特的褶皱起伏的二维结构。这种结构赋予了黑磷显著的各向异性特性，如它在不同方向上的电导率和热导率差异明显。基于黑磷的场效应器件的迁移率可达1000平方厘米/伏秒，室温开关电流比最高可以达到10^8.黑磷的这些特性使其在高性能电子和光电子器件中展现出巨大潜力。过渡金属硫化物是一类由过渡金属和硫族元素(如硫、硒、碲)组成的二维材料。其中，二硫化钼是最具代表性的一种，它的电子行为、机械性能以及光学性质会随着层数的变化而变化。例如，剥离的二硫化钼会随着层数的减少从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体，最终单层的二硫化钼在室温下的迁移率可以超过200平方厘米/伏秒，室温开关电流比最高可以达到10^。这些特性使二硫化钼在光电器件、传感器和催化剂等领域具有广泛的应用前景。氮化硼是一种由硼和氮原子交替排列构成的二维材料，其结构与石墨烯类似，但具有更高的热稳定性和化学稳定性。它在高温下仍能保持良好的绝缘性能，因此在高温电子器件和复合材料中具有重要应用价值。此外，氮化硼还具有优异的热导率和低介电常数，使其在散热和绝缘材料中表现出色。
二维材料的应用前景
正是这些独特的二维结构和可调变的物理化学性质，使得二维材料具有广泛的应用和商业化前景。目前，一系列基于石墨烯的商品，比如小米的石墨烯电暖器以及市场上大量的石墨烯电热毯、石墨烯布料等已如雨后春笋般出现，并在一系列高新技术领域展现出巨大的应用潜力。
在电子器件方面：石墨烯因其卓越的电子迁移率和机械性能，被看作是硅的潜在替代者，有望在下一代芯片和电子设备中大放异彩。尽管石墨烯本身是零带隙材料，但科学家们已经找到了方法来调整其特性，使其具备半导体特性。最新的研究发现，在碳化硅晶体面上通过外延生长的单层石墨烯会和碳化硅发生化学结合，显示出半导体特性(可具有0.6电子伏特的能隙)，并且拥有10倍于硅的电子迁移率，其场效应晶体管开关比高达10^4.已可满足工业化应用需求，这被认为是石墨烯在芯片制造领域的重要突破。此外，石墨烯的柔韧性也使其成为柔性电子设备的理想材料，预示着可弯曲、可穿戴电子设备的新纪元。
在能源存储方面：二维材料在能源存储领域也展现出巨大的应用潜力。例如，石墨烯由于其高比表面积和优良的导电性，被广泛用于锂离子电池的导电添加剂及电极材料，可以显著提高电池的能量密度和充放电速率。此外，石墨烯还可以作为超级电容器的电极材料，提供高能量密度和快速充放电的能力。黑磷也因高比表面积和优异的储锂性能，使其在锂离子电池和钠离子电池中具有广阔的应用前景。
在生物医学方面：二维材料在生物医学领域的应用也日益受到关注。例如，石墨烯由于其优异的生物相容性和高比表面积，被用于药物输送系统和生物传感器。石墨烯基复合材料可以有效负载和释放药物，提高药物的靶向性和治疗效果。此外，因还具有良好的生物成像性能，可以用于细胞成像和组织工程。
二维材料的制备与挑战
二维材料的应用潜力巨大，但要将它们从实验室研究转化为市场上的商业产品，仍面临着一系列挑战。首先，如何大规模、绿色地生产高质量的二维材料是实现商业化应用的关键。传统的制备方法存在效率低下和环境污染的问题。为了克服这些挑战，科学家们正在开发新的技术路线，以提高生产效率和环保性。例如，天津大学团队开发的“非强氧化插层—液相剥离”技术，有效解决了石墨烯生产中的效率和环保问题，降低了成本，减少了环境污染。该技术通过在石墨中插入非强氧化性的插层剂，然后在液相中进行剥离，从而得到高质量的石墨烯。这种方法不仅提高了剥离效率，还避免了传统强酸处理带来的环境污染问题。此外，成本控制也是实现二维材料商业化的重要因素。目前，二维材料的生产成本仍然相对较高，限制了其在很多领域的广泛应用。未来通过建立大规模生产线，实现宏量生产，可进一步降低成本，推动二维材料产业快速发展。
总之，二维材料以其独特的性质和巨大的应用潜力，正在成为材料科学领域的一颗新星。它们不仅在电子、能源、医疗等多个领域展现出广泛的应用前景，而且在推动科技进步和改善人类生活方面具有重要作用。虽然在一些领域的商业化方面仍面临挑战，但随着科技的进步和创新，有理由相信二维材料将在未来发挥更加重要的作用，并可能催生全新的应用领域，深刻影响人们的生产和生活方式。
(作者系天津大学化工学院院长、教授)
