未来可能是二维的 - 至少，材料的未来。
自2004年俄罗斯物理学家安德烈·Gejm和克斯特亚诺沃肖洛夫成功地孤立的第一单原子层石墨烯,从石墨的一个简单的铅笔,二维材料的潘多拉魔盒已经被打开,一个大家庭的原子晶格sci-fi-like属性,而在那之前被认为是无法访问的。在大胆的实验、研究和技术障碍之间，石墨烯及其兄弟姐妹的杀手级应用竞赛由此开始，在各个领域有希望的解决方案不仅比目前的方案表现更好，而且更节能、更循环。
我们和卡米拉·科莱蒂(Camilla Coletti)聊过这个问题，她是“2D材料工程”研究线的热心协调员石墨烯实验室在意大利理工学院。
Giorgia Marino：什么是二维材料？我们怎样才能想象他们？
卡米拉Coletti:这个概念不是不言自明的。二维材料，比如石墨烯，实际上是一种只有一个原子厚度的材料。我们可以想象一个原子厚度的薄片，薄到几乎看不见。这就是为什么我们迟迟才发现它的存在。
石墨烯可以定义为所有2D材料的“母亲”和碳的同种异体：思考石墨，碳纳米管，富勒烯，20世纪已经研究的所有材料。石墨只不过是石墨烯层的叠加，堆叠在另一个顶部;通过卷曲石墨烯本身，我们获得了纳米管;如果我们将它挤进球，我们得到一个富勒烯。
马里诺:但为什么花了这么长时间才发现石墨烯呢?
科莱蒂：首先，因为我们缺乏能够看到如此薄而透明的东西的方法。实际上，存在正确的技术，但可能是一个更重要的障碍是从热力学的角度来看，这种材料被认为是不稳定的。这意味着例如，从石墨中拆卸和隔离它将使其自身卷曲，因此它不会作为原子厚度存在。
Graphene的发现，[Won]诺贝尔奖到俄罗斯物理学家AndrejKonstantinovičGejm和KonstantinSergeevičTovoğlov之一，是一种几乎令人难以置信的随机性和简单的故事......
这是一种发现，源于一种超越人们所相信的可能性的渴望。在科学家的世界里，周五晚上，他们不是出去喝酒，而是喜欢做“奇怪的”实验。于是，这两位俄罗斯科学家决定，在曼彻斯特的一个周五晚上，用透明胶带一次又一次地重复去角质，看看是否有可能分离出一层石墨烯。他们最终获得了诺贝尔奖。人们经常说这个奖颁得太仓促了，颁给了一个幼稚的实验。但实际上，这两位科学家不仅分离出了石墨烯，还研究了它的性质:正是这一点改变了一切。
Marino：这些属性是什么？
科莱蒂：石墨烯是一种碳原子排列成蜂窝状、六角形的结构。这并没有什么特别之处:石墨其实是一样的东西，只不过它是由多层石墨烯层层叠加而成的。石墨烯具有奇异特性的可能性已经被研究和预测过，但科学家们认为，在自然界中，不让2D材料立即消失是不可能分离出来的。当他们成功时，发现的属性是非常特殊的。这就是为什么人们开始把石墨烯称为“神奇材料”。
梦想是找到所谓的杀手申请，可以真正改变人们的生活中的东西。
首先，我们可以说这是物理学家的游乐场。在这种材料中，实际上，电子，电荷载流子，以与光速相当的相对性的速度行进。在爱因斯坦时的许多理论预测中，由于没有合适的材料来验证它们而不是可验证的，因此终于发现了石墨烯中的实验平台。
当然，人们已经开始思考实际应用。这些非常快速的电子开放的选择非常快速的计算机：内部的石墨烯的梦想出生，这意味着将计算机的存在与石墨烯处理器而不是硅。然后结果是有问题的事情，因为石墨烯总是领导，它没有“开”和“关闭”。因此，在自发现的17年中，尚未实现模糊的石墨烯计算机，并且可能不会选择这种材料的选择。
Marino：返回2D材料属性......
科莱蒂：主要财产是其电荷运营商以令人难以置信的速度行进，接近光速。实际上这些电子几乎没有遇到阻力，并且该特征也决定了超传导的性质。
其次是它的透明度:可见光谱中97%的光都可以通过它。此外，石墨烯是一种非常柔韧的材料，但同时它也非常耐腐蚀性:像钻石一样坚固，但像塑料一样柔韧。简而言之，我们可以用它做很多有趣的事情。
Marino：使用这些材料时，有什么关键点？
科莱蒂：正如我们所说，我们有“开启和关闭”的问题。从实际工作的角度来看，第一个问题当然是物质如此薄的事实，你需要训练有素的眼睛，即使在显微镜下也需要看到它。
另一个大问题一直试图在大规模上生产它。有一片鳞片的一件事，一张纸，直径薄的头发：如果你在研究实验室里，你可以玩得开心，制作一个小型设备，看看它有效。但是，如果我们谈论应用程序，那么具有如此无穷无尽的尺寸，您无法做任何事情。因此，科学家试图克服的困难之一是以可扩展的方式生产石墨烯，同时保持其性质：具有相同的结晶品质，具有其所有常规六边形，而不会缺少原子或找到别的东西而不是碳。这一点并不容易，但早期取得了很大的进展，几种方法可以让我们在各种基材上获得高质量的石墨烯“生长”。
马里诺:成长?
科莱蒂：我说“增长”是因为这是我们在印度理工学院实验室使用的方法，也是获得它的最经典的方法之一。你用一个圆形板，我们称之为晶片，在上面沉积石墨烯。衬底的类型根据最终应用选择，可以是硅、碳化硅、蓝宝石、铜或任何其他通常用于电子应用的材料。晶片被放置在一个温度超过1000摄氏度的甲烷加热的大烤箱中，几分钟后，发生了称为“化学气相沉积”(CVD)的反应:实际上，甲烷中的碳沉积在基片上，形成石墨烯。最后，我们冷却烤箱，把它拿出来。大多数情况下，你用肉眼看不到任何东西，你必须用光谱学或显微镜检查你是否得到了完美的单层石墨烯。
Marino：有其他方法可以获得石墨烯吗？
科莱蒂：是的，有;例如，以石墨开始的制造方法：通过以溶剂中的超声波离心，得到“油墨”，然后可以用其他材料喷洒并与其他材料混合以加强其基本性质。它们是低科技应用的理想选择，如头盔和球拍，因此该系统近年来探讨了很多，并启用了已经在市场上的产品的生产。
烤箱系统，另一方面，让我们有非常高质量的材料，纯的，不是溶液形式。一旦获得石墨烯，我们就会制造设备，例如数据传输设备，这些设备被证明是非常高效的，因为石墨烯既可以作为发射器，也可以作为接收器。
Marino：为什么这些建筑块由石墨烯制成如此有趣？
科莱蒂：Covid，如果有任何需要，告诉我们我们有多么需要数据传输。需求变得非常巨大，现在我们已经达到了每两年带宽翻一番的水平，但这必须以相同的成本、能源消耗和足迹(即设备的尺寸)为代价。在电子领域，我们已经达到了硅器件所能达到的最小尺寸;在光子学领域，我们已经达到了我们所使用的材料所能达到的最大尺寸。我们需要新材料。
我们有机会在5或10年内看到相关应用中的2D材料。
图石墨烯首先是有趣的，因为它具有将光能转换为电信号的能力，并以节能的方式实现。它允许我们制造通过低能耗和出色的性能，更宽的带宽，非常小的尺寸来制造传输和接收的设备。成本也很有希望，因为原子厚的单层可以移植到现有的光子平台，而无需要求公司更改其所有生产线。
马里诺:关于替换的可能性，这也是一个有趣的前景批判原料如所谓的稀土元素......
科莱蒂：当然，即使从电子废物污染的角度来看，碳基材料也是一个更可持续的解决方案，这正在成为一个大问题。
Marino：由于我们正在处理碳，可以假设CO2捕获过程从中生产石墨烯？
科莱蒂：用二氧化碳代替甲烷实际上是我们想到的第一个解决方案，但我们不得不停止，因为我们的机器的技术限制。然而，已经有研究利用不同类型的废物、有机产品和植物油来获取碳，并从中生产石墨烯。质量还不是一流的，但肯定这些过程将在不久的将来得到完善。
马里诺:我们能想象石墨烯的循环经济吗?betway必威体育手机版
科莱蒂：是的，可能性是存在的。这一切都是关于能够证明它不仅是可以做到的——因为我们已经知道这一点——而且它可以在保持获得的材料的高质量的情况下完成。
最重要的是，我的梦想和那些在石墨烯工作的人的梦想是找到所谓的杀手申请，即可以真正改变人们生活中的重要应用程序。不贬低已经在市场上的低科技产品，如球拍，自行车轮胎或其他人，我想在一个能够彻底改变我们的生活的应用中看到石墨烯。正如我所说，我们可以拥有，广泛使用技术，以实现更快更环保的传输。如果我们想象这种景观，有能力生产高质量的石墨烯，具有圆形过程是理想的。
Marino：谈到绿色应用，还有石墨烯装置来净化目前正在研究的水。
科莱蒂：是的，Graphene也显示出具有可能的有趣应用以及该领域的良好性能。作为一种非常通用的材料，取决于它的加工方式，它可以变得非常不透水或多孔，在这种情况下，它恰好吸收了吸收。
马里诺:关于石墨烯，我们谈了很多，但它并不是唯一的2D材料。在发现它之后，一个新的二维材料的宇宙似乎打开了:有多少?
科莱蒂：他们中有很多。有一些理论研究，谈到数百和数百种材料，但显然在实践中，我们可以综合，孤立和研究的方式较少。目前最兴趣的是最兴趣的是石墨烯的白色兄弟，氮化硼和过渡金属二甲基甲基（TMD）。氮化硼与蜂窝石墨烯完全相同，但不是具有所有碳原子，有交替的硼原子和氮原子。与石墨烯不同，它是一种绝缘材料，因此将它们放在一起使梦想的电子设备制造。
工业世界对此很感兴趣。现在的问题是能够大规模地证明二维材料的再现性。
然后存在由硫致原子（例如硫或硒）形成的过渡金属二甲硅藻（TMD）和过渡金属，例如钨或钼：所以我们含有钨钨，二硫化钼等。这些材料实际上是三维，但是层彼此如此弱连接，您可以去除它们并获得其他2D材料。有趣的是，作为三维材料，它们具有某些性能，而是通过隔离单个原子或单层原子，性质完全不同。例如，硫化根硫化物通常是半导体并且不发光，但在2D形式中，它是相反的，因此可以在电子和光电子中制造大量应用。
Marino:在不久的将来，2D材料的有形的、可销售的应用还缺少什么，需要什么?
科莱蒂：当然，从投资的角度来看，欧洲共同体有很强的帮助石墨烯旗舰项目我们是其中的一部分，许多欧洲国家和机构都是其中的成员。该项目使公司和研究机构之间产生协同效应成为可能，以便迅速走向实际应用的开发。
缺少的是能够识别所有可能的产品中的最佳应用程序，并且在那方面继续以协同态度与公司的协同方式工作，以及那些可以成为应用程序的最终用户的人。我会说我们处于一个好点：如果这种良性循环现在没有中断，我们有很好的机会在五或10年内看到相关应用中的2D材料。
幸运的是，来自工业世界的兴趣在那里。现在的问题是要能够大规模地展示2D材料的再现性:我们在3厘米上能做的一切，我们需要在15厘米上做。总而言之，现在我们需要重现性和市场。
