21世紀的小能手—2D材料

材料牛注：石墨烯等2D材料將在新世紀中大展身手。將具有獨特光學、力學和電學性能的超薄材料相互混合并匹配，可為諸多領域提供定制的、性能更加優良的材料。

新的材料改變世界！我們談論青銅時代和鐵器時代的原因在于：不銹鋼和硅讓摩登時代成為可能。現在一種由單原子層組成的新材料的出現，將對未來產生影響深遠。在過去數年中，已發現的二維材料包括石墨烯、硼烯、六方氮化硼（白石墨烯）、鍺烯、硅烯、磷烯和錫烯。每一種2D材料都具有非常優越的性能，將2D材料組合可以制造出更多的新材料。

單分子層材料的革命始于2004年，兩位著名的科學家利用透明膠帶得到2D的石墨烯—這興許是首次利用幼兒園教室里面就能找到的工具獲得了諾貝爾獎。石墨烯強度高于鋼鐵，硬度高于金剛石，輕于絕大多數物質，透明，有彈性并且是超快的導電體。除水蒸氣可以自由通過其分子網格外，絕大多數物質都無法通過石墨烯。

最初，石墨烯的價格高于黃金，但由于生產技術的進步，石墨烯價格逐步降低，六方氮化硼的市場售價也逐步走低。利用高性價比的石墨烯制造濾水器，可以降低海水淡化和污水處理的成本。隨著石墨烯成本持續降低，可以在鋪筑道路的材料中加入石墨烯來吸收一氧化碳和氮氧化物而清潔空氣。
其他2D材料應用的歷程可能與石墨烯類似，隨著成本的降低而逐步被大量使用，并在高附加值產品如電子領域發揮他們獨特的性能。例如，將石墨烯用于制作可穿戴柔性傳感器—實際上，利用最新的增材制造技術（Additive Manufacturing），可將石墨烯直接打印在纖維織物上。在高分子中加入石墨烯可以讓飛機機翼、自行車輪胎等質輕且高強。

六方氮化硼、石墨烯和氮化硼等材料的聯合應用，可以提升鋰離子電池和超級電容器的性能，使得智能手機、電動車等產品中的電池能量密度提高、充電時間減少、使用壽命延長并減輕重量和減少污染。

對于新材料的使用，毒性通常是人們關心的問題之一。明智的做法是保持謹慎的態度和高度的關注。根據石墨烯毒性近十年的研究來說，目前還不需擔心石墨烯會對人類健康和環境產生危害，但研究還在繼續。

2D材料的出現像是給技術人員打開了一個強大的工具箱，科學家和工程師們巧妙地將這些具有獨特光學、力學和電性能的超薄材料相互搭配，為很多領域制作性能更加優良的材料。相比之下，作為20世紀工業基礎的鋼鐵和硅則顯得笨拙而粗糙。

原文鏈接：2-Dimensional Materials Create New Tools for Technologists

本文由編輯部月亮提供素材，田思宇翻譯，李卓審核；點我加入材料人編輯部。

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