如图所示的三角形材料是单层二硫化钨。在一定条件下，可以看到这些二硫化钨层发出红光。图片来源:宾夕法尼亚州立大学的Terrones组织。

Joshua Robinson记得2006年的一天，他了解到一种二维材料用于实际应用。

当时，他还是一名在华盛顿海军研究实验室的博士后研究员。他的顾问Eric Snow对石墨烯，一种孤立状的新型碳，赞不绝口。作为广为人知的富勒烯和碳纳米管的同素异形体，石墨烯呈板状结构，且只有一个碳原子厚。石墨烯中的碳原子为六元环状，相连成网状，这种点阵形式具有惊人的属性。石墨烯灵活、透明、强度比钢还高，其电性能比铜还好，热性能优于任何物质。简而言之，碳原子在石墨烯中不像碳原子了，就像形成了一种全新的材料。

石墨烯被称为首个二维材料，也叫单层材料。事实上，石墨烯的厚度只有十亿分之一米的三分之一厚，作为一种有形材料完全称得上是二维的。石墨烯比普通打印纸薄300000倍。如果将普通打印纸的纸厚比作六层楼高，那麽石墨烯的厚度就相当于纸张的厚度。

Robinson 是在一种理想的状态下意识到二维材料的重要性。在研究碳纳米管时，他们将其应用于检测化学武器和爆炸装置中微量物质的检测。

Robinson  指出：“石墨烯只是一种解压缩状态的纳米管。Eric对石墨烯十分着魔，迫不及待地开始研究石墨烯，并立即深陷其中。因为这种新材料的性能优异的令人难以置信。”Robinson 现在是宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系的助理教授。

绊脚石

科学家、工程师和全球范围的投资者们都在为石墨烯着迷，因为石墨烯可能会带来电子技术的革命。“post-silicon”一词就是被用来描述这种新前沿的，并且在2010年，石墨烯的发现和初级表征获得了诺贝尔物理学奖。

但石墨烯的发现到实际应用不是那么容易。虽然材料学家已经使用其他元素和化合物创建出各种各样的新型二维材料，但是他们总是无法预测出这些材料的属性。这些微观的单层材料的制备很难实现，分析也很困难，虽然材料的强度很大，但很容易断裂，也不可能以工业规模进行生产。

我们需要更深入地了解二维材料及其奇异的属性。为了迎接这一挑战，2013年宾夕法尼亚州立大学的材料研究所开始研究二维分层材料。该中心汇集了来自宾夕法尼亚州立大学和全国各地的其他机构的约50名教师、博士后研究人员和学生。该中心是首个不仅关注石墨烯，也关注“超石墨烯”的研究中心。Robinson是该中心的副主任，他说：“该中心吸引了国内的一些最好的新教师及许多有才能的学生。”

构建块

该中心的研究主要围绕几个广泛性的主题，如寻找新的方式制备二维材料和不同化合物形成的结合层，开发新的技术来分析新型材料及其属性，了解分层材料的体系结构对其属性的影响，依靠科技转型来寻求产品专利和商业化产品。

如图所示为材料学家Joshua Robinson利用化学气相沉积炉来制备二维材料。图片来源:宾夕法尼亚州立大学的Patrick Mansell。

科学家利用各种元素，如钨、钼、硫、镓、硒、硅和含氮硼，来制备各种单层材料。

通过对二维材料的技术改进，使得二维材料的性能更容易预测出来，比如哪些化合物可以形成单层材料，以及它们如何形式单层材料。石墨烯之类的材料具有与其三维形式不同的属性。类似的还有二硫化钼、二硫化钨和氮化硼半导体材料，这些材料都是半导体材料，它们为超薄电子产品的研制提供了可能。一些材料以一定的波长吸收光并以令一种波长发出光，它们可能成为新一代的光致检测基础设备。

一些单层产品正在向商业化应用发展。

二维分层材料中心的主任，材料科学与工程、物理、化学的教授Mauricio Terrones说：“我已经看到有些触摸屏和平板显示器正在使用石墨烯作为导电透明电极。这可能是市场上首批单层材料产品。石墨烯的优势是制备柔性平板，利用现有技术还不大可能实现。”

宾夕法尼亚州立大学正在开展一些旨在引领未来技术变成现实的重大项目研究。最近，美国国家科学基金会(NSF)支持的三个项目总经费已经超过400万美元。Robinson研究小组正在开发一种新型post-silicon晶体管，以生产更小型的电子产品。材料科学与工程教授Joan Redwing和她的团队正致力于制备一种低温二维材料，使二维材料的工业生产更具可行性，同时使材料形成玻璃或者塑料。电气工程的教授Zhiwen Liu和Ana Laura Elias Arriaga都是物理学研究助理，他们正在与伦斯勒理工学院的同事一起，研发用于光学技术的分层材料。

叠加层

Terrones和Robinson都认为，该领域成功的关键是制备出不同类型的结合层。Robinson团队曾与宾夕法尼亚州立大学的同事以及得克萨斯大学的教师和研究人员们诱导在不同的二维材料上直接制备出另一种材料。

Robinson 指出：“我们现在已经能够实现各层之间真正意义上的干净过渡，这是新型纳米电子电路技术的关键。”

与单一化合物形成的层状材料相比，这些混合的二维材料通常具有独特的性能和潜在的应用价值。纽约莱塞拉尔的实验室里，一位莱斯大学二维分层材料中心的成员制备出两组分分层材料，并将其送与Terrones进行分析。

如图所示为一个气相沉积炉的内部结构。其中，石英管为形成二维材料提供适宜的有机金属化合物蒸汽环境。图片来源:宾夕法尼亚州立大学的Patrick Mansell。

为了使分层材料尽可能地在低温下形成，Ajayan团队偶然间利用两种相似材料来形成分层材料，这项先进的发现有助于推动分层材料的商业化进程。

在某一温度下，二硫化钨形成了一层一层的二硫化钼分层材料。在这项研究中，结合材料的研究工作类似于晶体管。在另一温度下，形成的两种材料并列排在同一平面上。

Terrones说：“就像两种不同的织物连接在一起，但是在连接点处这两种织物结合为一种。在结合的边缘处，这两种织物的连接点是电子和光子能量传递的交汇点。我们现在发现的这种材料对于制备迅速敏感型光电传感器或者发光设备具有重要的意义。”

“狂野的西部”

图片来源:宾夕法尼亚州立大学

几乎每周都会有类似的研究发现，对新产品的预测已经有实现的可能。这一次，对二维材料的兴奋已经有了坚实的科学基础。科学家和工程师已经超出了最初的目标，将石墨烯转化为一种新型的半导体材料。

Terrones说：“石墨烯和其他二维材料很可能将成为可穿戴电子设备的重要组成部分。我预测，这些材料在涂敷“智能”涂料后，经过外部刺激可改变材料属性。二维涂料可以抗锈和抗细菌，作为敏感探测器用于检测空气质量，也可以防止舱体的老化。一切皆有可能。”

Robinson也同意这一观点。

如图所示为硅片，硅片插入气相沉积炉中，作为新的二维材料的基底。图片来源:宾夕法尼亚州立大学的Patrick Mansell。

“二维材料不仅仅可以取代硅。二维材料的关键就像现在的狂野西部一样，其潜在的应用价值无法想象。但是，这一切要以我们了解其基本属性为前提，以便更好地确定这些材料可以应用于哪些领域。"

新材料在线编译整理——翻译：陈琼    校正：摩天轮