如果材料只剩一层原子，它会变成什么样？

设想把一块普通材料不断变薄，直到它只有一个原子或几个原子那么厚，它还会保持原来的性质吗？答案往往是否定的。有研究发现，当材料进入原子级厚度后，许多我们熟悉的物理和化学规律都会发生变化，甚至会表现出在三维块体材料中看不到的新特性。

三维材料与二维材料的转化示意图（图片来源：[3]）

这类薄到极致的材料，被称为二维材料。二维材料的出现，让人类能够像“搭积木”一样，在原子尺度上设计和调控材料，也为未来科技打开了新的想象空间。今天，我们就来好好认识一下这一神奇的材料。

什么是二维材料？

所谓二维材料，并不是完全没有厚度的材料，而是指在厚度方向上只有一个或少数几个原子层，而在长度和宽度方向上可以延展到较大尺度的材料。换句话说，它们像一张极薄的“原子薄膜”，厚度小到接近物质结构的极限。最典型的二维材料是石墨烯。石墨烯由单层碳原子组成，碳原子按照六边形蜂窝状排列，就像一张由原子编织成的网。

单层石墨烯拉伸原理图（图片来源：[1]）

二维材料之所以特殊，是因为当材料被限制在原子级厚度时，电子的运动方式会发生明显改变。在普通三维材料中，电子可以在长、宽、高三个方向上运动；而在二维材料中，电子主要在平面内运动，厚度方向受到强烈限制。这种限制会改变材料的能带结构、导电性能、光学响应和力学性质。因此，同一种物质在块体状态和二维状态下，可能会表现出完全不同的特征。

二维材料还有一个重要特点：表面原子比例极高。普通材料内部有大量原子，真正暴露在表面的只是一小部分；而二维材料几乎所有原子都位于表面或接近表面。这使它们对外界环境极其敏感，比如电场、光照、气体分子、温度变化和机械拉伸都可能显著影响其性能。正因为如此，二维材料特别适合用于高灵敏传感器、柔性器件和新型电子元件。

二维过渡金属：二硫化钼（左）和二碲化钨（右）（图片来源：[1]）

除了石墨烯，二维材料家族还包括二硫化钼、二碲化钨、六方氮化硼、黑磷、MXene等。它们各有特点：有的导电性能优异，有的适合作为半导体，有的具有良好的绝缘性，有的在催化反应中表现突出。随着研究不断深入，二维材料已经不再是单一材料的概念，而是发展成一个庞大的材料体系。

二维材料是如何制备的？

机械剥离法

二维材料的制备方法有很多，其中最早被广泛认识的是机械剥离法。这个方法听起来很简单：用胶带反复粘贴和撕开石墨，就有可能得到单层石墨烯。虽然这种方法看似朴素，却帮助科学家第一次获得了高质量的石墨烯样品。机械剥离法制备出的材料晶体质量高，非常适合基础研究，但它的缺点也很明显：产量低、尺寸不易控制，难以满足大规模工业应用需求。

机械剥离过程示意图：a）将超薄柔性晶体贴到两层透明胶带中间；b）反复黏贴胶带，剥离晶体材料，使其变为较薄的层状薄片；c）将粘有晶体薄片的胶带轻轻转移到硅片的二氧化硅层上；d）移开胶带，由于二氧化硅和有机半导体间存在范德瓦耳斯力，薄晶体留在基底上。（图片来源：[4]）

化学气相沉积法

为了获得更大面积、更可控的二维材料，科学家发展了化学气相沉积法。简单来说，就是让含有目标元素的气体在高温条件下发生反应，并在特定基底表面生长出二维薄膜。例如，石墨烯可以在铜箔表面生长，二硫化钼等二维半导体也可以通过类似方法制备。化学气相沉积法适合制备大面积材料，因此在电子器件和工业化应用方面具有重要价值。

化学气相沉积法合成石墨烯示意图:气相的甲烷在高温下分解为碳原子，碳原子在铜基底表面成核并扩展，最终形成石墨烯薄膜（图片来源：[6]）

液相剥离法

另一类方法是液相剥离法。科学家可以把层状材料放入溶剂中，通过超声、搅拌或化学处理，使材料一层层分散开来，得到二维纳米片。这种方法操作相对简单，适合大量制备二维材料粉体或溶液，可用于涂层、复合材料、电池和催化等方向。不过，液相剥离得到的材料尺寸和层数通常分布较宽，晶体完整性也可能受到影响。

近年来，二维材料制备技术不断突破，研究对象也从天然层状材料扩展到原本并不容易形成二维结构的材料。尤其是二维金属的制备，一直是国际材料科学中的难题。金属原子之间通常具有较强的三维结合倾向，很难稳定地形成单原子层结构。

中国科学院物理研究所的科研团队开创了二维金属研究新领域（图片来源：[2]）

值得关注的是，中国科学院物理研究所的科研团队成功研制出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，开创了二维金属研究新领域。这一突破说明，二维材料的边界正在不断被拓展，未来人们可能制备出更多传统观念中难以想象的原子级薄膜材料。

二维材料的用途

电子信息领域

二维材料的应用前景十分广阔。首先是在电子信息领域。随着芯片尺寸不断缩小，传统硅基材料逐渐面临漏电、散热和性能提升困难等问题。二维半导体材料由于厚度极薄、电子结构可调，有望用于制造更小、更快、更低功耗的晶体管。二维金属则可能成为超薄导电层、电极材料或芯片互连材料，为未来微纳电子器件提供新的解决方案。

光电器件

其次，二维材料在光电器件中也具有重要价值。一些二维材料能够高效吸收、发射或探测光信号，可用于光探测器、发光器件、太阳能电池和透明显示器。由于它们非常薄，还可以与柔性基底结合，制成可弯曲、可折叠甚至可穿戴的电子设备。未来的智能手表、柔性屏幕、电子皮肤和健康监测贴片，都可能从二维材料的发展中受益。

基于二维材料的应用（图片来源：[1]）

能源领域

在能源领域，二维材料同样值得期待。由于其比表面积大、活性位点多，二维材料可以作为电池电极、超级电容器材料和催化剂。例如，在锂离子电池、钠离子电池和氢能制备中，二维材料有助于提高反应效率、加快离子传输，并改善器件循环寿命。对于能源转化和储存来说，这类材料提供了一种从原子尺度优化性能的新思路。

环境监测和生物医学

此外，二维材料还可用于环境监测和生物医学。由于它们对气体分子、生物分子和化学物质非常敏感，可以被设计成高灵敏度传感器，用于检测有害气体、水体污染物或人体健康指标。在生物医学领域，部分二维材料还被研究用于药物递送、成像和抗菌材料。当然，这些应用仍需要充分评估其生物安全性和长期稳定性。

参考文章

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/sKBrZnalvLA73Ba_D2fTIw

[2]Zhao J, Li L, Li P, et al. Realization of 2D metals at the ångström thickness limit[J]. Nature, 2025, 639(8054): 354-359.

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/3WRNsxbAMYjs2uTVodKszw

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/nHhEcTb4VSbZUPlj7MPHsw

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/SX-1S8qsmRlvf18idi8kJw

[6]Mattevi C., Kim H., Chhowalla M., A review of chemical vapour deposition of graphene on copper, J. Mater. Chem., 2011, 21, 3324–3334.

来源：力学科普

编辑：ISCREAM

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