超越石墨烯：二维材料的新世界正在开启

瑞典林雪平大学（Linköping University）的研究人员开发出一种新方法，可以合成数百种新型二维材料，这些材料只有几个原子厚，具有独特的性能，可用于储能和水净化等各种应用。这一进展以实验室验证的理论模型为基础，拓宽了在已知的 MXenes 家族之外创造更多二维材料的潜力，为各种技术应用铺平了道路。

厚度只有几个原子的材料薄得惊人，具有独特的性能，因此在储能、催化和水净化方面具有吸引力。瑞典林雪平大学的研究人员现已开发出一种方法，可以合成数百种新型二维材料。他们的研究发表在《科学》杂志上。

自石墨烯发现以来，极薄材料（即所谓的二维材料）的研究领域呈指数级增长。究其原因，二维材料相对于其体积或重量而言具有较大的表面积。这就产生了一系列物理现象和独特性能，如良好的导电性、高强度或耐热性，使得二维材料在基础研究和应用领域都备受关注。

林雪平大学副教授约纳斯-比约克。图片来源：Thor Balkhed

"在一层只有一毫米薄的薄膜中，可以有数百万层材料。"林雪平大学材料物理学教授约翰娜-罗森（Johanna Rosén）说："层与层之间可以发生大量化学反应，因此二维材料可用于储能或生成燃料等。"

最大的二维材料家族被称为 MXenes。MXenes 由一种称为 MAX 相的三维母材料生成。它由三种不同的元素组成：M 是过渡金属，A 是（A 族）元素，X 是碳或氮。通过酸性物质去除 A 元素（剥离），就形成了二维材料。到目前为止，MXenes 是唯一以这种方式制造出来的材料系列。

林雪平的研究人员提出了一种理论方法，用于预测可能适合转化为二维材料的其他三维材料。他们还证明了该理论模型与现实是一致的。

周杰，林雪平大学助理教授。图片来源：Olov Planthaber

研究人员采用了三步法。第一步，他们开发了一个理论模型来预测哪些母体材料适用。利用国家超级计算机中心的大规模计算，研究人员从一个数据库和 66,643 种材料中筛选出 119 种有前途的 3D 材料。

下一步是尝试在实验室中制造这种材料。

"在 119 种可能的材料中，我们研究了哪些材料具有所需的化学稳定性，哪些材料是最佳候选材料。首先，我们必须合成三维材料，这本身就是一项挑战。最后，我们得到了一个高质量的样品，可以使用氢氟酸剥离和蚀刻掉特定的原子层，"物理、化学和生物系助理教授周杰说。

研究人员从母体材料YRu2Si2 中去除钇（Y），从而形成了二维Ru2SixOy。

Johanna Rosén，林雪平大学材料物理学教授。图片来源：Olov Planthaber

但要在实验室中确认成功，还必须进行验证，这就是第三步。研究人员使用了林雪平大学的扫描透射电子显微镜 Arwen。它可以检查材料及其原子级结构。这种显微镜中还可以利用光谱学研究材料是由哪些原子组成的。

"我们能够确认我们的理论模型运行良好，所产生的材料由正确的原子组成。剥离后，材料的图像就像一本书的书页。"材料设计部副教授乔纳斯-比约克（Jonas Björk）说："理论能够付诸实践，从而将化学剥离的概念扩展到更多的材料家族，而不仅仅是MXenes。"

研究人员的发现意味着更多具有独特性能的二维材料指日可待。这些材料反过来又能为大量技术应用奠定基础。下一步，研究人员将探索更多潜在的前驱体材料，并扩大实验规模。Johanna Rosén 相信，未来的应用几乎是无穷无尽的。

"总的来说，二维材料在大量应用中显示出巨大的潜力。例如，可以想象捕获二氧化碳或净化水。"Johanna Rosén 说："现在要做的是扩大合成规模，并以可持续的方式进行合成。"

编译来源：ScitechDaily