重組原子：從科幻到現實

材料牛注：大家肯定沒有少看過科幻電影中的原子重組鏡頭，從《超體》里面黑寡婦大腦控制自己身體進行原子重組，再到科幻小說中通過原子重組的穿墻而過……最近，科學家們把原子重組從科幻中帶到了他們的實驗室，讓我們一睹為快吧！

將巖鹽結構轉化為石墨烯結構

莫斯科物理技術學院(MIPT)、斯科爾科沃科技學院(Skoltech)、超硬與新型碳材料研究所(TISNCM)、俄羅斯國立科技大學、萊斯大學（美國）的科學家們借助計算機模擬找到了把不同的鹽轉化成類似石墨烯的2D材料的方法。2D材料性質獨特，從而使這一發現成為打開納米電子學世界的鑰匙。本項研究成果發表在The Journal of Physical Chemistry Letters上。

從3D到2D的飛躍

只有一個原子厚度的石墨烯是一種性質獨特，十分引人注意的材料。其晶體結構與蜂窩類似，碳原子之間的鍵呈正六邊形連接。石墨烯即單層3維石墨晶體，但是其性質卻與石墨有關天壤之別。自發現石墨烯后，人們對迷人的2D材料進行了大量研究。超薄膜性質獨特，可應用于納米和微電子學等領域。

從前的理論研究表明，離子鍵連接的立方結構薄膜可自行轉化為層狀六邊形石墨結構，這一過程即為石墨化。目前已發現了一些材料的石墨化轉變機制。據預測，巖鹽NaCl可能有石墨化的傾向。立方化合物經石墨化后，形成的新結構在納米電子學領域發展會得到廣泛應用。但是，尚未有理論證明任何一種立方結構均可石墨化，也沒有理論表明巖鹽可以石墨化。

實現石墨化過程，需使巖鹽晶體層沿立方結構的主對角線削減，最終使一層晶體表面為Na離子，另外一層為Cl離子。值得注意的是，結構格點均為陽離子或陰離子而非中性原子占據，這使得兩個表面積聚相反的電荷。只要結構表面相距足夠遠，所有電荷即會相互抵消，為此，巖鹽顯示出明顯的立方結構傾向。然而，如果薄膜足夠薄的話，兩表面的異種電荷會產生極大的偶極距。結構將自行抵消偶極距，使系統能量上升。為使表面呈電中性，晶體將進行原子重組。

實驗VS模型

為研究不同化合物的石墨化傾向，研究人員對通用化學式為AB的雙相化合物進行了觀察。這里化學式中的A表示堿金屬Li，Na，K，及放射元素Rb，在周期表中，這些元素位于第一主族，活性很強。化學式中的B代表鹵族元素，如F，Cl，Br，I，上述元素來自第ⅦA族，可與堿金屬產生反應。

用于研究的所有化合物結構各不相同，即晶格或晶相不同。若氣壓增加300，000倍，NaCl的另外一種相(B2)為穩定相。為檢測其參量及選擇方式，科研人員模擬了兩種晶格點陣，并計算了對應相轉變所需的壓力。實驗數據與預測相吻合。

到底要多薄？

本項研究中的所有化合物均可由不穩定的G相轉化為極具穩定性的超薄膜。研究人員確定了立方及六方結構薄膜表面的能量關系，并借助兩條斜率不同的直線反映出來。兩條直線的交點為發生轉變厚度的臨界點。如，鈉鹽約為11，鋰鹽介于19~27。

基于這項數據，科研人員建立了臨界層數與兩個參量之間的關系，不同化合物的離子鍵強度由這兩個參量決定。第一個參量給出了給定金屬的離子尺寸，即離子半徑。第二個參量電負性，表示金屬原子吸引鹵族元素B的能力強弱。高電負性吸引能力強，離子鍵具有明顯的離子性，更大的表面偶極距，臨界厚度較小。

原子重組帶給我們更多的遐想

Pavel Sorokin為TISNCM新材料模擬實驗室的負責人，他對研究的重要性做出了解釋，“本項工作已經吸引了以色列及日本同仁的關注，如果他們從實驗上印證了我們的發現，這一現象（指石墨化）將為合成超薄膜指明方向，可在納米電子學大量應用。”科研人員打算將其研究擴大到其他化合物，他們認為不同成分的超薄膜也能自行進行石墨化，形成性質獨特的新型層狀結構。

原文鏈接：Scientists find a way of acquiring graphene-like films from salts to boost nanoelectronics

本文由編輯部楊洪期提供素材，王八嫉妒月亮編譯，點我加入材料人編輯部

材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com