二維材料將帶動一場新的科技革命

當1930年, 3M科學家將普通膠帶和杜邦的不透水玻璃紙結合製作出了一種清潔，廉價的粘合設備——透明膠帶時，美國正處於經濟大蕭條，這款產品非常適合用於節省人口和節省人力 - 這是一項非凡的進步。透明膠帶可用於修補各種材料的裂痕，音樂家使用透明膠帶修補撕裂的樂譜; 婦女，修理破損的指甲; 會計師，恢復撕毀帳簿; 和銀行，修復撕毀的貨幣。

今天，我們大多數人把這種極其耐用和有用的產品視為理所當然。但正是這種隨處可見的日用品讓材料科學家們再次實現新的突破，開創了化學和材料製造領域的下一次復興：提取石墨烯，這是第一個二維材料。

在2004年曼徹斯特大學實驗室的一個星期五下午，科學家Andre Geim和Kostya Novoselov在調查碳石墨的電性能。兩位物理學家突然異想天開，他們決定測試是否可以通過用透明膠帶剝下一層來獲得更薄的石墨片。（他們看到其他研究人員使用膠帶清潔石墨，然後將其放在顯微鏡下。）

在第一次通過時，Geim和Novoselov脫離了數百層碳而不干擾其底層結構。有趣的是，他們用更多的磁帶重複這個過程。不久之後，他們將石墨剝離回其最薄的可能排列：由單個原子組成的層。這裡有一個非常簡短的材料，一種鉛筆薄材料，它可以被描述為二維的，這是科學家多年來一直追逐的令人驚歎的難以捉摸的概念，這就是石墨烯。這是在透明膠帶的幫助於實現的突破。

經過10多年的學術研究和開發，這一奇異的突破正在產生大量的新材料，這些新材料在石墨烯碳族和其他2D分子中都不可能很薄且不可能很強。石墨烯適用於廣泛的納米材料，涵蓋厚達100納米的產品。石墨烯具有獨特的特性，可以實現奇跡。隨著碳原子排列在緊密堆積的蜂窩狀晶格中，石墨烯比鋼更堅韌，並且比橡膠帶更柔韌。它傳導熱量和電力。它透明，幾乎沒有重量，不透氣，甚至是細菌。

石墨烯只是世界各地數以千計的學術研究實驗室正在研究的許多納米材料之一。在他們開發和研究的分子大小的世界裡，更多的材料正在出現，與以前已知的材料相比，這些材料不僅看起來不同，而且作用和反應也不同，他們可以解決人類最棘手的問題。可能性包括可再生能源和減少污染方面的突破; 治療疾病和先天性疾病; 在電腦，感測器和機器人技術方面; 在製造業; 以及新的服裝和包裝形式。

最有希望的後石墨烯納米材料之一是過渡金屬硫屬化合物，這包括，二硫化鎢、二硫化鉬、二硒化鎢和二硒化鉬。在普通形式中，二硫化鎢或二硫化鉬是一種常見的潤滑劑，用於航空航太發動機的潤滑及尼龍、特氟龍的組件。當這些元素像石墨烯一樣減薄到單層形態時，它們爆發出前所未有的應用潛能，它們是驚人的強大的半導體新材料，它可以將微小的光量轉化為光伏能量，可用於太陽能電池陣列、光纖網路、氫能源轉換及電腦和電信元件。

世界每年都有數百篇關於二維材料的研究論文被科學家發表，以描述一系列領域的納米材料實驗。例如，在製造業中，有科學家嘗試用石墨烯制出密度是鋼的5％，但是強度是鋼10倍，並且可以在3D印表機中加工的飛機機體；在過去的五十年裡，電腦技術的每一項進步都源自於元件和晶片的小型化以及隨之而來的性能改進，有科學家嘗試用二硒化鎢制出可以比現有市場產品快100倍的存放裝置或快10000倍的處理器公司晶片材料。此外，二硫化鎢也被應用未來光醫療，有科學家使用納米材料標記患者體內的腫瘤細胞，記錄細胞內結構之間幾乎不可感知的電資訊，揭示微小的突變和功能障礙，包括腫瘤生長的開始階段，將分子藥物直接遞送至靶細胞。

儘管迄今為止已經有十幾個二維粒子被分離出來，但石墨烯仍然是唯一經常被用於商業應用的粒子。在未來三到五年內，科學家們頻繁地推出新的創新技術，同時積累關於這些奇跡材料如何運作的知識。總之，二維材料世界仍有著許多未知的發現，科學家們認為二維材料將徹底改變推動或改變人類科學的發展進程，比現有的房地產業擁有更大的產業價值，二維材料將帶動真正的科技革命。

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