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首次制造出只有單個原子厚的金烯!制造二維材料有多難?

發布時間:2024-11-25 02:36:43 來源:星空計劃 字號: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

作者:陳佳君

相信許多人都聽說過石墨烯,這是一種由碳原子組成、僅有一個原子厚的二維材料。自從石墨烯在2004年被發現以來,它憑借獨特的性能引起了廣泛關注。這也激發了科學家們對其他二維材料的探索。2024年4月16日,《自然·合成》雜志發表的一項新研究宣布,二維材料家族迎來了一位重量級新成員——金烯(goldene)。這是研究人員首次成功地制造出了只有一個原子層厚的二維金薄片。

為什么制造像金烯這樣僅由金屬構成的二維材料這么難呢?這是因為金屬原子傾向于聚集成團,形成三維的納米顆粒,而不是形成穩定的二維單原子層。這一特性給科學家們帶來了極大的挑戰,特別是在金這種貴金屬上實驗時,控制其原子排列變得更加困難。

研究團隊從一種名為碳化鈦硅(Ti?SiC?)的導電陶瓷材料入手。這種材料有著良好的導電性和層狀結構,它包含了一層硅,夾在碳化鈦片之間。當研究人員在這種材料表面覆蓋一層金,并將其暴露于高溫下進行加熱時,出現了一個意想不到的現象:硅層被金原子替代,形成了一種全新的材料**——**碳化鈦金(Ti?AuC?)。這種現象被稱為插層(intercalation)。

圖:碳化鈦硅(Ti?SiC?)中的硅被金所取代,形成碳化鈦金(Ti?AuC?)。

雖然幾年來研究人員嘗試過從碳化鈦金中剝離出金層,但一直未能成功。一次偶然的機會,研究人員注意到了一種在日本鍛造藝術中使用了一百多年的方法。這種方法利用一種名為村上試劑(Murakami's reagent)的化學制劑,能夠刻蝕殘余的碳,并在刀具制造過程中改變鋼材的顏色。

這啟發了研究人員,或許可以利用這種試劑刻蝕碳化鈦金中的Ti?C?層。為了獲得最優的效果,研究人員修改了村上試劑的配方。他們嘗試了有著不同濃度的村上試劑,以及從一天到數月不等的刻蝕時長。他們注意到,濃度越低、刻蝕過程越長,最終效果就越好。

但還有一個挑戰,在刻蝕過程中,暴露于光線會產生氰化物,而氰化物會溶解金。因此,整個過程必須在黑暗中進行,以保護金層。

一旦金薄片被分離出來,研究人員就需要解決如何維持二維金薄片穩定性的問題。在實驗中,研究人員觀察到刻蝕生成的二維金薄片容易發生卷曲和團聚。為了解決這一問題,他們加入了一種表面活性劑,它可以在金烯的表面形成保護層,防止薄片相互粘連,從而保持其平整和穩定。

最終,研究人員證實了他們成功地制造出了穩定的、只有單原子厚的二維金薄層——金烯。

金烯的發現不僅為二維材料的家族增添了一位重量級的新成員,還為科學家們探索由貴金屬構成的二維材料開辟了新的道路。與傳統的金納米顆粒相比,金烯的獨特之處在于,每個金原子僅有6個相鄰原子,而非三維晶體中的12個。這種獨特的性質讓研究人員對它的未來應用充滿期待。無論是在二氧化碳轉化、產氫催化,還是在水凈化和先進通信技術中,這種單原子厚的金薄片都可能成為變革的核心材料。

需要特別注意的是,村上試劑在蝕刻過程中可能會引入鐵雜質,從而影響金烯的純度和催化性能。因此,研究人員正致力于優化金烯的合成工藝,以提升其穩定性和生產效率。此外,如何在大規模生產中保持金烯的高質量和一致性,也是未來應用中需要克服的難題。

從最初的石墨烯到如今的金烯,二維材料的研究讓我們看到了如何通過改變材料的原子排列結構,釋放出前所未有的新性能。金烯的成功制備不僅揭示了一種嶄新的材料形態,也預示著更多二維貴金屬材料的誕生。隨著科學家不斷探索新的制備方法和應用場景,金烯及其衍生的材料有望在環保技術、清潔能源、精密醫學等多個領域實現突破,推動我們邁向更加可持續和高效的未來。

論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.172502

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者名稱: 陳佳君

審核: 穆云松 中國人民大學化學與生命資源學院環境科學與工程系主任

出品:中國科協科普部

監制:中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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