未来可能是二维的——至少是材料的未来。

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。

我们与卡米拉·科莱蒂（Camilla Coletti）聊了聊，她是“2D材料工程”研究线和石墨烯实验室在意大利理工学院。

乔治娅·马里诺:什么是二维材料?我们怎么能想象它们呢?

卡米拉Coletti:这一概念并非一目了然。二维材料，如石墨烯，实际上是厚度为一个原子的材料。我们可以想象一个原子厚度的薄片，如此之薄，似乎看不见。这正是为什么我们发现它的存在如此晚的原因。

石墨烯可以被定义为所有二维材料和碳同素异形体的“母亲”：想想石墨、碳纳米管、富勒烯，所有这些材料在20世纪都已经被研究过了。石墨不过是一层层石墨烯的叠加，层叠在一起；通过在石墨烯上卷曲，我们得到了纳米管；如果我们把它挤成一个球，就会得到一个富勒烯。

马里诺:但为什么要花这么长时间才能发现石墨烯呢？

Coletti:首先，因为我们缺乏能够看到如此薄而透明的东西的方法。事实上，正确的技术是存在的，但更重要的障碍可能是，从热力学的观点来看，这种材料是不稳定的。这意味着把它从石墨中分离出来，例如，会使它自己卷曲，因此它不会以原子厚度的薄片存在。

俄罗斯物理学家安德烈·康斯坦蒂诺维奇·盖姆（Andrej KonstantinovičGejm）和康斯坦丁·谢尔盖维奇·诺沃斯ë洛夫（Konstantin SergeevičNovosëlov）获得了诺贝尔奖，石墨烯的发现是其中一个几乎难以置信的故事，因为它的随机性和简单性…

这一发现源于超越人们所认为的可能的愿望。在科学家的世界里，周五晚上，他们不出去喝酒，而是喜欢做“奇怪”的实验。因此，这两位俄罗斯科学家决定，在一个星期五的晚上，在曼彻斯特，用透明胶带一次又一次地，重复地去除铅笔尖的角质，看看是否有可能分离出一层石墨烯。他们最终成功并获得了诺贝尔奖。人们经常流言说，为了一个幼稚的实验，这个奖颁发得太匆忙了。但实际上，这两位科学家不仅分离了石墨烯，还研究了它的性质：这就是改变一切的原因。

马里诺:这些属性是什么?

Coletti:石墨烯是一种碳原子呈蜂窝状六边形排列的结构。这并没有什么异国情调：石墨是一样的东西，只是它是由多层石墨烯层层叠加而成的。人们已经对石墨烯具有奇异性质的可能性进行了研究和预测，但科学家认为，在自然界中，如果二维材料不立即消失，就不可能分离出来。当他们成功的时候，发现的属性是非常特殊的。这就是为什么人们开始谈论石墨烯作为“神奇材料”

我们的梦想是找到所谓的杀手级应用程序，它可以真正改变人们的生活。

首先，我们可以说它是物理学家的游乐场。事实上，在这种材料中，电子，电荷载体，以与光速相当的相对论速度运动。爱因斯坦时代做出的许多理论预测最终在石墨烯中找到了一个实验平台，这些预测由于没有合适的材料来验证而无法验证。

然后，当然，人们开始考虑实际应用。这些速度极快的电子为设计速度极快的计算机提供了可能性:将石墨烯植入计算机内部的梦想由此诞生，这意味着计算机将采用石墨烯处理器而不是硅处理器。后来证明这是有问题的，因为石墨烯总是先导，它没有“开”和“关”。因此，在石墨烯被发现的17年里，模糊的石墨烯计算机还没有实现，也可能不会成为这种材料的应用选择。

Marino:回到2D材料属性……

Coletti:其主要特性是它的电荷载体以难以置信的速度移动，接近光速。实际上，这些电子的运动几乎没有遇到电阻，这一特性也决定了超导的性质。

还有透明度：可见光谱中97%的光通过它。此外，石墨烯是一种非常灵活的材料，但同时它也具有很强的抵抗力：与钻石一样坚固，但与塑料一样灵活。简而言之，我们可以用它做很多有趣的事情。

马里诺:使用这些材料的关键点是什么?

Coletti:正如我们所说，我们有“开和关”的问题。从实际工作的角度来看，第一个问题当然是，材料非常薄，即使在显微镜下，你也需要经过训练的眼睛才能看到它。

另一个大问题是试图大规模生产。有一个直径像头发一样薄的薄片是一回事:如果你在实验室里，你可以很开心地制作一个小设备，看看它的工作效果如何。但如果我们讨论应用，在无穷小的维度下你什么都做不了。因此，科学家们试图克服的首要困难之一，就是以一种可扩展的方式生产石墨烯，同时保持其性质:具有相同的晶体质量，所有的规则六边形，同时不遗漏一个原子，也不发现碳以外的其他物质。这并不容易，但早期已经取得了很多进展，有几种方法可以让我们在不同的基片上“生长”高质量的石墨烯。

马里诺：长大了？

Coletti: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。

马里诺:还有其他方法获得石墨烯吗?

Coletti:是的，有；例如，从石墨开始的制造过程：通过在溶剂中以超声波速度离心石墨，获得“墨水”，然后可以直接喷涂并与其他材料混合，以增强其基本性能。它们是低技术应用的理想选择，如头盔和球拍，因此该系统近年来进行了大量探索，并使已经上市的产品得以生产。

另一方面，烤箱系统允许我们拥有非常高质量的材料，纯净且不呈溶液形式。一旦获得，我们制造设备，例如用于数据传输的设备，这些设备被证明是非常有效的，因为石墨烯在发射机和接收机中都工作良好。

马里诺:为什么这些由石墨烯制成的光子学积木如此有趣?

Coletti:如果有必要的话，新冠病毒已经向我们展示了我们多么需要数据传输。需求已经变得巨大，现在我们的带宽每两年翻一番，但这必须以相同的成本、能耗和占地面积，即设备的大小来实现。我们无法再跟上现有技术的需求：在电子领域，我们已经达到了硅器件可以达到的最小尺寸；在光电子领域，我们已经达到了使用材料可以达到的最大尺寸。我们需要新材料。

在5年或10年内，我们有很好的机会在相关应用中看到2D材料。

石墨烯在这一领域很有趣，首先是因为它能够将光能转化为电信号，而且是以一种节能的方式实现的。它使我们能够制造出低能耗、性能优异、带宽宽、体积小的传输和接收设备。成本也很可观，因为原子厚的单分子膜可以移植到现有的光子平台上，而无需公司改变所有的生产线。

马里诺:关于替换的可能性，这也是一个有趣的前景关键原材料比如所谓的稀土元素…

Coletti:当然，碳基材料是一个更可持续的解决方案，即使从电子垃圾污染的角度来看，这已经成为一个大问题。

马力诺：既然我们在处理碳问题，有没有可能假设二氧化碳捕获过程从哪里生产石墨烯?

Coletti:用二氧化碳代替甲烷实际上是我们想到的最早的解决方案之一，但由于我们机器的技术限制，我们不得不停止。然而，已经有研究使用不同类型的废物、有机产品和植物油来获得碳，从而生产石墨烯。质量还不是很好，但这些过程肯定会在不久的将来得到改进。

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

Coletti: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，找到所谓的杀手级应用，也就是能够真正改变人们生活的重要应用，这是我的梦想，也是石墨烯工作者的梦想。在不影响市场上已经存在的低技术产品(如球拍、自行车轮胎或其他)的情况下，我希望看到石墨烯的应用能够让我们的生活变得更好。正如我所说的，我们可以广泛使用更快、更环保的技术。如果我们想象这样一种景观，那么通过循环过程生产高质量石墨烯将是理想的。

马里诺：说到绿色应用，目前正在研究用于净化水的石墨烯装置。

Coletti:是的，石墨烯已经证明在这个领域有可能有有趣的应用和良好的性能。作为一种用途非常广泛的材料，取决于它的加工方式，它可以成为高度不透水或多孔的材料，在这种情况下，它本身正好有助于吸收。

马里诺：我们已经谈了很多关于石墨烯的事，但它不是唯一的二维材料。在它被发现后，一个新的二维材料的宇宙似乎已经打开：有多少？

Coletti:他们太多了。理论研究涉及到成百上千种材料，但显然在实践中，我们能够合成、分离和研究的材料要少得多。目前最感兴趣的是石墨烯的白色兄弟、氮化硼和过渡金属二卤化物（TMD）。氮化硼的制备方法与蜂窝状石墨烯完全相同，但并没有全部的碳原子，而是有一个交替的硼原子和氮原子。与石墨烯不同，石墨烯是一种绝缘材料，所以把它们放在一起可以制造出梦幻般的电子设备。

来自工业界的兴趣就在那里。现在的问题是能够大规模证明2D材料的再现性。

然后是过渡金属二硫化物（TMD）的整个家族，由硫原子（例如硫或硒）和过渡金属（例如钨或钼）形成：因此我们有二硫化钨、二硫化钼等。这些材质实际上是三维的，但层之间的连接非常弱，因此可以将它们剥离，得到其他二维材质。有趣的是，作为三维材料，它们具有一定的性质，但通过隔离单个原子或单个原子层，性质完全不同。例如，硫化钨通常是一种半导体，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学中有很多应用。

马里诺：在不久的将来，要实现2D材料的有形、适销对路的应用，还缺少什么？还需要什么？

Coletti:当然，从投资的角度来看，欧洲共同体提供了强有力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，以便迅速发展实际应用。

缺少的是能够在所有可能的应用程序中找出最佳的应用程序，并在这方面继续与公司以及可能成为应用程序最终用户的人协同工作。我想说的是，我们正处于一个好的阶段：如果这种良性循环现在不被打断，我们有很好的机会在五年或十年内看到2D材料在相关应用中。

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。