張晗Small綜述：二維晶體纖維的機遇與挑戰

張晗Small綜述：二維晶體纖維的機遇與挑戰

【引言】

二維晶體是指具有原子厚度和納米或亞微米橫向尺寸的新型納米材料。2004年，A. K. Geim和K. S. Novoselov成功地將層狀石墨剝離成單片層石墨，這標志著第一種二維晶體（石墨烯）問世，2D 晶體世界的大門從此開啟。

二維晶體的問世對材料研究具有極重要的意義。從理論研究上看，單層原子是物理學家研究物質結構性能的重要模型，而二維晶體的問世使得這種模型從理論走向現實，打破了二維晶體無法現實存在的傳統理論，同時還使眾多理論推導得以驗證，因此，引起了物理學界的極大反響。從應用價值上看，這樣的原子級厚度和二維結構使它們的性能優于對應的體材料。例如，二維石墨烯具有石墨所不具備的量子霍爾效應、優異的光學性能、高比表面積，同時還表現出超高室溫載流子遷移率、高導熱系數等優越性能。所以二維晶體的問世引起了光電子器件、能源材料、催化劑、生物材料等實用科學領域研究人員的廣泛關注。但在實際應用過程中，由于二維晶體為肉眼不可分辨的納米材料，難以直接構筑器件，往往需要將其組裝成宏觀材料。纖維是二維晶體基宏觀材料絕佳的形態。一方面，比其它二維晶體基宏觀材料更大的外表面積及更小的截面尺寸。使得物質能更容易進入的二維晶體基纖維內部，從而與內部的二維晶體發生相互作用，這一點對催化、吸附、電極等領域的應用性能有巨大影響。另一方面，二維晶體基纖維具有柔性和可編織性。這一點與二維晶體重要的潛在應用領域為電子器件的發展方向智能可穿戴高度匹配。因此二維晶體基纖維的制備與應用成為了二維晶體發展的一個重要方向。

【研究進展】

? 近日，深圳大學張晗和孔湉湉教授在Small上對二維晶體纖維的研究進展進行了系統的綜述，文章題目“2D Crystal–Based Fibers: Status and Challenges”。 本文綜述了二維晶體的分類、二維晶體及其分散液的制備方法、二維晶體基纖維的制備方法以及二維晶體基纖維的應用方向。并在全文最后總結了二維晶體光纖的現狀、發展前景和未來的挑戰。本綜述為開發新的二維晶體光纖以及探索其在智能穿戴設備領域的潛力提供了方向和指導。

【圖文簡介】

作者首先回顧了二維晶體的發展歷史，敘述了二維晶體基纖維的概念和優點。然后，基于元素組成，對各種二維晶體進行了分類介紹。隨后，系統地介紹了批量制備二維晶體及其分散液的方法、二維晶體分散液制備其對應纖維的方法以及二維晶體基纖維在智能可穿戴領域中的應用。最后，總結了二維晶體基纖維的研究現狀、發展前景和未來的挑戰。本文對“層狀材料-二維晶體-二維晶體分散液-二維晶體基纖維-柔性器件”這一路線圖進行了全流程的總結與梳理，為讀者了解二維晶體基纖維的制備和應用提供了實用的幫助。

圖1 二維晶體發展的主要時間節點

圖2 已報道的單質烯所對應的元素組成

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圖3 石墨烯和石墨炔的結構。a）石墨烯；b）α-石墨炔；c）β-石墨炔；d）6,6,12-石墨炔

圖4 黑磷和藍磷的原子模型

圖5 已報道的二維過渡金屬二硫化物所對應的元素組成

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圖6 a) g-c3n4的三嗪環結構, b) g-c3n4的3-s-三嗪環（七嗪環）結構

圖7?通過不同剝離法制備二維晶體及其分散液的示意圖

圖8制備二維晶體纖維的不同紡絲方法示意圖

圖9 通過不同非紡絲法制備石墨烯纖維的原理示意圖及實物圖：（a）模板法、（b）薄膜成纖法、（c）挑絲法

圖10 石墨烯纖維的應用于柔性纖維狀染料敏化太陽能電池

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圖11 摻雜石墨烯纖維應用于輕量柔性導線連接

圖12 石墨烯雜化纖維應用于纖維狀柔性鋰硫電池

圖13 黑磷雜化纖維膜應用于柔性超級電容器

圖14 石墨烯纖維引用于柔性纖維狀應力傳感器

圖15 石墨烯纖維及織物應用于柔性電熱纖維及電熱面料

【總結與展望】

自從單層石墨烯的發現，二維晶體在過去10年中發生了爆炸性的發展。二維晶體種類以及二維晶體制備方法都大大擴充，取得到了實質性的進展。然而，這些二維晶體中僅有少量一些得到深入研究，并且他們實際應用還處于探索階段。二維晶體的價值在很大程度上取決于它們在應用中的潛力。纖維是二維晶體應用的一種重要形式，二維晶體基纖維的研究仍處于起步階段。目前除石墨烯纖維以外，其它二維晶體基纖維研究很少。目前制備二維晶體纖維主要面臨兩大挑戰：

1)如何選擇合適的二維晶體進行紡絲。雖然近年來涌現出大量的新型二維晶體，但對它們的大部分性質還沒有被系統研究，如二維晶體在各種溶劑中的分散性，二維晶體及其分散液的穩定性、粘彈性、粘聚力和流變性，這些性能都直接影響到晶體能否進行紡絲。

2)如何確定二維晶體合適的紡絲參數。目前，用于指導纖維成型、判斷纖維可紡性以及調節最佳紡絲參數的經典理論，都是基于以聚合物熔體或聚合物溶液為紡絲液的紡絲體系。在以二維晶體或其他納米顆粒分散液為紡絲液的體系中，分散液中的分散質不會發生分子鏈的纏繞與解纏，其流變行為與聚合物流體有巨大差異。這使得化學纖維的紡絲理論不再適用于二維晶體等納米顆粒的纖維成型。

要實現其它二維晶體基纖維的開發，應致力于以下方面：

1) 對現有的二維晶體特有性能進行更深入、系統的研究，繪制二維晶體的基因組，探索提高二維晶體結構在大氣環境中穩定性的途徑，實現宏觀纖維制備所需的二維晶體及其分散液的規模化制備。

2) 建立適用于二維晶體分散液的紡絲理論體系，這有利于二維晶體分散液濃度、紡絲條件、凝固浴種類、凝固浴濃度等一系列參數的確定。

盡管對于許多二維晶體來說，其纖維的制備還有很長的路要走，但其發展前景十分廣闊。二維晶體纖維在催化、吸附、傳感、電子等領域具有巨大的潛力。在可穿戴的電子設備（如柔性太陽能電池、超級電容器、二次電池、光導體、加熱器、制動器和可穿戴的傳感器）已經得到了體現。更重要的是，一旦具有半導體特性的二維晶體基纖維及其纖維狀晶體管得以成功制備，可為制備具有邏輯運算能力的柔性芯片鋪平道路。柔性可穿戴的半導體芯片作為核心將引導當前智能可穿戴設備走向真正的智能化，這將徹底改變人類的生活方式。

文獻鏈接：2D Crystal–Based Fibers: Status and Challenges, 2019, Small, DOI: 10.1002/smll.201902691.

團隊介紹：

深圳大學黑磷光電工程技術實驗室成立于2016年，主要從事二維材料光學特性與生物光學特性研究，2016年入選深圳市海外高層次人才孔雀團隊（1500萬無償資助）。已累計發表SCI論文200余篇包括Advanced Materials 10篇（影響因子21.950）、Chemical Society Reviews 3篇（影響因子40.182）、PNAS、Nature Materials（影響因子39.235）、Physic Reports等，以第一作者或通訊作者發表SCI一區論文80篇，封面論文30篇，兩篇論文入選中國百篇最具影響國際學術論文，PNAS論文入選2018年中國光學十大進展-應用研究類，40篇論文引用過百次，ESI高被引論文46篇。本團隊在納米光子領域取得了諸多國際一流成果，并與哈佛大學、瑞典卡羅林斯卡醫學院、新加坡南洋理工大學、深圳市人民醫院、韓國高麗大學、蔚山大學等國內外頂尖科研機構建立了合作，現有多學科背景的團隊成員80余人。團隊成員獲得國家青年基金資助20項，面上項目4項，國家重點項目2項（含聯合基金）、重大項目培育1項等。 已有10人被評為深圳市高層次人才孔雀B/C類，獲得各項資助累計達5000萬。本實驗室已培養近十位優秀博士后，其畢業去向包括哈佛大學助理教授、廣東省杰青、高校特聘教授、研究員等。本實驗生物醫藥方向的專家包括曹義海教授，瑞典卡羅林斯卡醫學院終身教授，歐洲科學院院士；國際知名的生物光子學與納米光子學研究專家Paras N. Prasad。

本團隊負責人張晗教授2010年畢業于南洋理工大學，2018年獲得深圳市青年科技獎、中國產學研合作創新獎（個人）、教育部科技二等獎、全球高被引科學家、中國十大新銳科技人物卓越影響獎等，2019年廣東省丁穎科技獎。其SCI總他引兩萬多次，H指數74。本團隊負責人獲得2012年國家基金委優青及中組部青年千人、2015年重點項目、2017年面上項目，2018年面上項目，2019年國際合作重點項目等資助。

團隊在該領域工作匯總

據中國科學院科技戰略咨詢研究院最新公布的<<2017 研究前沿>>，深大團隊一直從事并且引領的“基于二維材料可飽和吸收體的鎖模光纖激光器”研究被列為物理學Top 10 熱點，黑磷的特性及應用研究領域有35篇論文入選核心論文（張晗以第一作者或通訊作者入選9篇，共計13篇）。此外，黑磷的特性研究在《2015 研究前沿》報告中以新興前沿出現，2016 年，進一步成為了熱點前沿。今年，黑磷的特性研究再次入選熱點前沿，且該前沿2016年單年的施引論文數達到881 篇，是十個熱點前沿中最活躍的一個。本團隊在鎖模激光和黑磷研究上已取得諸多重要突破。

優質文獻推薦：

Tao W, Kong N, Ji X, et al. Emerging two-dimensional monoelemental materials (Xenes) for biomedical applications[J]. Chemical Society Reviews, 2019 ,48, 2891-2912

Han Zhang* etc. Tactile Chemomechanical Transduction Based on an Elastic Microstructured Array to Enhance the Sensitivity of Portable Biosensors. Advanced Materials, 2019, 31, 1803883.

Han Zhang* etc. Ultrasensitive detection of miRNA with an antimonene-based surface plasmon resonance sensor, Nature communications, 2019,10, 28.

Han Zhang* etc.Biocompatible and biodegradable inorganic nanostructures for nanomedicine: Silicon and black phosphorus, Nano Today, 2019, 25, 135-155.

Guo, S., Zhang, Y., Ge, Y., Zhang, S., Zeng, H., Zhang, H., 2D V‐V Binary Materials: Status and Challenges. Adv. Mater. 2019, 1902352. https://doi.org/10.1002/adma.201902352

招聘：本實驗室招聘優秀的博后，歡迎投遞簡歷至2987114019@qq.com, 要求：材料、化學、生物等理工科博士，32歲以內，發表1-2篇高質量論文。國內博士年薪38萬左右，國外滿足學校排名前200名的博士，基本工資48萬+30萬廣東省博后津貼+深圳市32萬孔雀C類人才補貼 =110萬