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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