“人类过去4000年的发展，从瓷器时代到青铜时代再到铁器时代，每个时代都有一种代表性材料。我们现在生活在塑料与硅的时代，这也是今天人类文明的代表性材料。下一步是什么呢？”在近日举行的2019中国科幻大会“科技与未来”专题论坛上，2010年诺贝尔物理学奖得主、英国曼彻斯特大学物理学教授安德烈·海姆问道。而他自己给出的答案是：二维材料。

已知的二维材料有成百上千种

2004年，凭借粘在胶带上的石墨残片，安德烈·海姆和他的博士后康斯坦丁·诺沃索洛夫分离出如今知名度最高的二维材料——石墨烯，并因此获得2010年诺贝尔奖。

石墨是三维的，而石墨烯仅由一层碳原子构成，因此就成了二维材料。安德烈·海姆介绍，石墨烯具备一系列卓越的性能：你能想象到的最薄的材料、比表面积最大的材料、目前已知最坚固的材料、延展性和柔韧性最强的晶体、导热性打破已有纪录……

“这是材料的二维革命。”安德烈·海姆说，15年前，人们先验地认为这些材料是不可能存在的。如今，科学家已经知道成百上千种其他二维材料的存在和性质。

安德烈·海姆介绍，目前全球范围内有成千上万研究人员在研究二维材料，很多中国大学都有这样的研究团队或研究人员。同时，世界上有数千家公司在研发石墨烯产品，包括众多中国公司。

“石墨烯的优越特性让它可在很多消费产品中得到应用。”安德烈·海姆介绍，目前市场上已经有含有石墨烯的电池，它不仅产生的热量少，而且充电速度大为提升。还有人尝试把石墨烯应用在跑鞋上，让跑鞋寿命延长40%；或者将其应用在跑车上，让跑车更加轻盈的同时，既坚固又抗冲击。

从三维到二维物理特性会巨变

“石墨烯已经在很多领域产生广泛应用。但其他大部分二维材料仍处于实验室研究阶段，科研人员仍在对它们的制备成本、各种性质和应用潜力进行优化和探索。”中国科学技术大学化学与材料科学学院教授朱彦武这样说。

据了解，由单层原子构成的锡烯、二硫化钼和黑磷等，都是当前二维材料领域的研究热点。

“理论上很多三维材料都有‘二维化’的可能。”朱彦武介绍，从三维到二维，很多材料的物理特性会发生巨大变化。

一个最明显的变化是，二维材料的厚度非常薄，因此会拥有非常大的比表面积，这就有潜力用作高性能负载或者过滤材料。再比如，由于石墨烯中的电子迁移速度非常快，石墨烯器件的响应速度可大大提升，同时驱动电子所用的电场和电势就可以降低，这将大大减少一些基于二维材料的器件功耗。

实际上，随着芯片尺度越来越小，芯片上的晶体管数量接近极限，这意味着摩尔定律日益逼近“天花板”。而二维材料的巨大应用前景之一就是用于制造新型半导体器件，从而打破摩尔定律的“天花板”，但这并非易事。

“从基础科学研究的角度来讲，材料的维度降低以后，其中涉及很多纳米科学和表界面科学相关的问题，科研人员仍然没有完全搞清楚。这是二维材料研究目前面临的难题之一。” 朱彦武认为，从某些方向或角度首先寻找到二维材料的应用突破口，将可能刺激或者鼓励二维材料研究领域的进一步发展。