最近中国科学院物理研究所的科研团队，成功实现了厚度仅为头发丝直径的二十万分之一的单原子层金属， 这是国际上首次实现大面积二维金属材料的制备，可以说开创了二维金属研究的新领域。3月13日，相关研究成果以《埃米厚度极限二维金属的实现》为题发表在了国际学术期刊《自然》上。
l 什么是二维材料？
在日常生活中，人们见到的材料都是三维的，也就是具有一定长度、宽度、高度，但如果把其中一个维度抹平，那就是二维材料。例如一页纸，看上去只有长和宽，厚度经常被我们忽略不计。而在材料科学领域，二维材料就是厚度仅为单个原子或者少数几个原子的材料，一般厚度仅仅是一张A4纸的百万分之一。
你可能会说？那其实也还是有厚度的，不是真的二维啊。确实，这个所谓的二维材料啊，更多是物理性质上的二维，更进一步来说是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度上自由运动的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。除了二维还可有一维材料和零维材料。一维材料是指电子仅在一个非纳米尺度方向上也就是沿直线自由运动，具有代表性的如碳纳米管。零维材料是指电子无法自由运动的材料，如量子点、纳米颗粒与粉末。
也就是说大家认为的没有错啊，三维的世界中不会直接存在纯粹的二维物体，再小再细也是三维的。所谓的0维到3维材料，它是电子行为被限制的尺度而非时空尺度，并非科幻作品中的二向箔。
展开剩余82%在过去的近一个世纪的时间里，学界曾普遍认为二维材料是不可能稳定存在的，直至2004年曼彻斯特大学（University of Manchester）Geim 小组成功分离出单原子层的石墨烯，才被提出来。后续又有一些其他的二维材料陆续被分离出来，如：黑磷、锡烯、硅烯、氮化硼、二硫化钼、二硒化钨等。此后，各种各样的新二维材料陆续被发现，二维材料家族迅速扩大，目前实验可获得的二维材料就达数百种，通过理论预测的更是接近2000种。可以说二维材料极大颠覆了人类对材料的原有认知，这一发现引领了凝聚态物理、材料科学等领域的系列突破性进展，开创了基础研究和技术创新的二维新纪元。
目前除石墨烯外，科学家们已发展出了五大体系的二维材料：
二维材料大家族
MXenes（超薄碳化物或氮化物二维材料）、Xenes（单原子层单质二维材料）、Organicmaterials（有机二维材料）、TMD（过渡金属二硫族化物）以及Nitrides（氮化物）。
二维材料因其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，使得这种材料展现出许多奇特的性质。其中石墨烯以其突出的高载流子迁移率、高强度、高透光率、优良的导热能力等特点，无论是在理论研究还是应用领域，都引起了全世界科研人员的极大兴趣。但这些二维材料基本都局限在范德华层状材料体系内。层状材料就类似千层饼的结构，它的三维母体原子层通过弱的范德华力相连，人们可以通过剥千层饼的方式，取下一层原子获得二维单层材料，用胶带撕出单层石墨烯就是典型代表。但事实上，层状材料也并不普遍，在材料数据库中，非层状材料占比超过97.5%，例如生活中随处可见的金属。不同于层状材料，金属是高度对称的非范德华材料，就好像四面上下全包围焊接一样，各向同性且强的金属键，导致二维金属的制备颇具挑战性。不过在过去几年中，科学家也不是不能制造这种单层原子厚度的金属，只是尺寸小面积不够大，而且非常地不稳定。也就是说光厚度薄是不够的。厚度可以到一个原子，而面积仅几十个原子，或者很快就被破坏掉了，那么这个二维物理性质是不够明显的。而这次科研团队是首次实现了“大面积”二维金属材料的制备，同时首次实现了环境稳定的二维金属材料。
l 那是怎么做到的呢？
中国科学院物理研究所的科研人员研发了一种原子级制造的范德华挤压技术。先制备一个达到原子级平整度的压砧，用两个直径为厘米级的蓝宝石为砧板，每个砧板上面都覆盖着一层高质量单层二硫化钼（MoS2），它提供了什么呢？就是原子级平坦的表面，来确保这个金属厚度上的均匀。这就是科学家们打造的原子级铁钳。再用它挤压熔化的金属液滴，全程需要保持温度均匀，同时精确控制压力梯度，逐渐去压这个金属液滴，让金属原子缓缓地铺展成完美的单层，之后缓慢冷却成型，一片厚度仅为头发丝直径20万分之一的大尺度二维金属便诞生了，达到了单原子层厚也就是埃级。这意味着如果咱们把一块边长3米的立方体金属块压成单原子层厚，甚至可以铺满整个北京市的地面。
这项技术的关键之处在于，采用的压砧要达到原子级平整、表面无悬挂键的材料。这种挤压法实现了原子极限厚度下各种二维金属的普适制备，包括对铋、锡、铅，铟和镓等金属的二维制备。也为二维金属合金、非晶和其他二维非层状材料开辟了有效的原子级制造方案。
经过这个挤压法，诞生的是一种如同三明治一样的材料，是三层的，二维金属被夹在中间，上下两层是二硫化钼，这种封装保护它不暴露在外部环境中，就像是给二维金属穿上了生存铠甲，后面的试验结果也表明经过二硫化钼MoS2封装的二维金属很稳定，在超过1年的实验测试中没有性能退化。
这就好比为金属重塑了金身，被困在层状材料中的千层饼游戏局面被打破了。二维金属的制备超越了当前二维层状材料体系，等于是为二维材料家族扩展了一大块拼图。
l 它将有什么应用呢？
以单层铋金属为例，它比块体铋的室温电导率高一个数量级以上，展现出巨大的非线性的霍尔电导率，预示着它可以在光电子器件中使用，为低功耗全金属晶体管和高频器件提供了新思路。
它这个原子极限厚度，使得这个金属的晶体管成为可能。可以为超微型低功耗晶体管、高频器件、透明显示、超灵敏探测、以及极致高效催化等众多领域带来技术革新。这个二硫化钼的封装可以让这些材料在实际的应用中更加实用稳定。在二维材料领域，石墨烯诞生于英国，那么二维金属将贴上中国标签。或者说我国科学家在二维金属领域的贡献，其革命性可与石墨烯比拟。
最后，引用央广网采访参与该项工作主要人员的一段话，三维金属的应用和冶炼技术引领了人类文明的铜器、青铜和铁器时代，而原子极限厚度的二维金属，有望推动人类下一阶段文明的发展。（这段可改变一种表述方式）
参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08711-x
https://www.cas.cn/cm/202503/t20250313_5049866.shtml
https://www.cas.cn/cm/202503/t20250313_5049857.shtml
https://www.cas.cn/syky/202503/t20250313_5049836.shtml
https://wenku.baidu.com/view/e982b3a727c52cc58bd63186bceb19e8b9f6ec9c.html?_wkts_=1742013212008&bdQuery=五大体系的二维材料:
https://news.cnpowder.com.cn/53163.html
https://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202503/t20250312_7552540.html
https://baike.ofweek.com/6708.html
http://m.xincailiao.com/news/app_detail.aspx?id=138515
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：房广林
审核：罗会仟 中国科学院物理所 研究员
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
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