北京材料基因工程高精尖中心，磁光电复合材料与界面科学北京市重点实验室，北京科技大学数理学院，北京100083
1、透明胶带引发的材料革命
铅笔笔芯里是不含铅的，其主要成分是石墨和黏土。石墨是一种由碳元素构成的层状物质，每一层是由碳原子之间的共价键相连形成、类似蜂窝状的正六边形结构（如图1）。石墨的层与层之间是通过范德瓦尔斯力的微弱作用结合在一起，整个结构类似于千层饼。
图1 石墨每一层内部碳原子分布形成正六边形，形状类似于蜂窝。
由于这种特殊的层状结构，石墨在纳米厚度时拥有原子级平滑的表面。自20世纪后期以来，石墨开始被用作扫描隧道显微镜的成像基底。在这样的应用中，基底越薄越好，所以科学家们希望能获得更薄的石墨片。科学家们尝试了很多办法来获得更薄的石墨片，但获得的最薄石墨片有20多层原子厚度，当时人们普遍认为这已经达到或十分接近于石墨片减薄的极限值。考虑到材料在纳米尺度上的热力学不稳定性，一般认为自由悬空的原子平面是不稳定的，因而不可能获得稳定的单层石墨（即石墨烯）。正当大多数科研人员认为，继续寻找新的方法获得更薄的单层石墨片是无望的时候，一名俄罗斯年轻人康斯坦丁·诺沃肖洛夫（K. S. Novoselov）跟随其荷兰导师安德烈·海姆（A. K. Geim）来到了英国曼彻斯特大学，开始了以石墨为原料制造金属场效应晶体管的研究项目。初来乍到的诺沃肖洛夫并没有前辈们高超的实验技巧，减薄石墨片既耗时耗力，又得不到特别好的基底，研究项目前景黯淡。就当诺沃肖洛夫准备放弃的时候，他细心地发现每次实验结束时，实验人员会采用透明胶带来清理残留在实验台上的石墨残留物。他突发奇想，如果将石墨放在两片透明胶带之间，紧紧按压，再轻轻撕下胶带，这样就会有石墨片分别黏附在两片胶带上，这样石墨片岂不是很简单地被减薄了吗？只要将透明胶带反复进行折叠和展开，石墨片岂不是越来越薄？到最后莫非？说干就干，诺沃肖洛夫开始了他的实验，并不复杂，很快他就得到了原子级厚度的石墨片，也就是后来我们熟知的单层石墨烯。2004年，康斯坦丁·诺沃肖洛夫和他的导师安德烈·海姆，在科技界的顶级期刊《科学》（Science）上发表题为“原子级碳薄膜中的电场效应”（Electric FieldEffect in Atomically Thin Carbon Films）的研究论文，并一跃成为历史上被引用次数最多的文章。2010年，二人因为“在二维石墨烯材料的开创性实验”分享了当年的诺贝尔物理学奖。与此同时，二维材料的研究热潮席卷全球，一场材料界的伟大革命正在轰轰烈烈地进行。透明胶带和石墨都是生活中常见的物质，但是采用合适的手法就能获得意想不到的成就。人类科学的进步，很多时候就是将灵光乍现的想法，通过自己的努力进行实现的过程。为此，在日常生活中，我们最好能珍惜眼前最容易被忽略的内容，多加观察和思考，兴许有一天，我们也能从日常生活的细节中得到启发。2、二维材料大家族
石墨烯并不是唯一的层状二维材料。二维材料的种类很多，是一个非常繁盛的大家族（如图2）。既有研究了很久在新时代焕发新活力的长辈，又有近些年才进入人们视野的少年，未来必定大有可为。从广义上来说，只要电子仅仅在两个维度的平面上运动的材料就是二维材料。我们可以将二维材料想象成一张纸，只是纸的厚度仅有几个纳米（1米=10亿纳米），纸的长和宽可大可小，不过最少也有100纳米以上。以石墨烯为例，单层的石墨烯厚度仅为0.3纳米左右。自然界有种类繁多的层状晶体，具有强的面内化学键和弱的类范德瓦尔斯层间相互作用力，这使得这些晶体也有可能被剥离成为二维材料。我们根据二维材料所含的元素分类，包含一些无机材料，如氮化硼（BN）、过渡族金属氧化物（Transition Metal Oxide, TMO）、过渡族金属硫化物（Transition Metal Dichalcogenide, TMD）、硅烯纳米片层和石墨烯衍生物（氧化石墨烯、石墨烷和氟化石墨烯）。除此以外，还有一些其他的二维结构，其中包括二维聚合物（典型代表就是石墨烯）、共价有机框架化合物和金属有机框架化合物等。
图2 二维材料大家族
从材料性质角度分类的话，二维材料涵盖了我们熟知的导体、半导体和绝缘体。例如，单层的石墨烯在微纳电子学领域是一种潜在的导体，而在这个尺寸上也有包括少层BN片或TMO和钙钛矿一类的二维材料等绝缘体材料。许多TMD的二维材料是半导体材料，很多材料性质会随着厚度的变化而变化，引起了科学家们极大的兴趣。除此以外，二维材料还可被用作超导体和热电材料，这为其二维特性的研究提供了一个广阔的平台。3、二维材料未来四大应用
二维材料家族人丁兴旺，那么他们究竟有什么魅力，引得无数科学家竞相折腰？事实上，主要是因为二维材料在厚度方向上的尺寸受到限制，材料的量子效应相比于块体材料强了很多，许多材料性质有了令人惊喜的变化，甚至出现了一些新奇的特性，所以二维材料在众多应用领域都有所建树。这里我们对二维材料的未来应用进行了展望，希望未来能改善我们的生活。
（1）电池
近些年来电池已经成为限制便携式电子设备，例如手机、笔记本电脑等发展的主要短板。现今较为成熟且能商用的锂离子电池，是20世纪90年代初索尼公司提出的，但是已经渐渐不能满足大家日益增长的对更轻、更薄、更好设备的向往。随着以石墨烯为代表的二维材料研究的发展，使得克服这个短板有了新的希望。二维材料相较于块状材料既轻薄又有更强的结构强度，并有助于锂离子的嵌入和脱出，有助于增强电池性能。同时，二维材料还能减低电池中电解液内粒子的凝聚作用，有助于电池的稳定运行。如何充分利用太阳赐予我们的能量是人类生存的永恒命题。而太阳能电池则是将太阳能转化为化学能的重要组件。许多二维材料不仅拥有优异的电学性能，还因为其极薄的厚度而具有良好的透光性，成为太阳能电池的重要组成部分，可以很明显地提升太阳能电池的性能。（2）催化剂
因为厚度方向的尺寸受限，二维材料拥有很大的比表面积，界面性质主导了材料性质。二维材料边缘处存在大量的活性位点，足够大的表面可以吸附更多反应物，有助于化学反应的稳定进行，防止团聚进而影响化学反应速率。与此同时，二维材料表面有助于化学反应中电子的顺利转移，可以有效地降低化学反应的活化能，而活化能是影响化学反应进行的重要因素。相较于现在成熟的铂催化剂，许多二维材料催化剂没有贵金属，因而更为价廉物美。
（3）柔性材料
前文提到，二维材料很像生活中的纸张。我们可以想象，二维材料在平面内可以很容易地弯曲。相较于层间薄弱的范德瓦尔斯力，层内原子间的相互作用力是强的共价键，二维材料的结构强度也有保障。科学家们根据各种二维材料不同的物理性质，进行了精心搭配后获得了一系列高性能柔性器件。我们可以预期，在不久的将来，以不同的二维材料为基础的高科技电子产品很可能进入千家万户，改变我们的生活。
柔性材料不仅仅可以在电子器件上发挥作用，还可制作人造皮肤。皮肤是我们人体中面积最大、质量最重的器官，是保护人体的重要屏障。二维材料独特的物理化学性质，例如高的机械柔韧性、各向异性的导电性、可调节的带隙和较高的耐化学性，可用作人造皮肤，实现感觉、保护和调节等方面的功能。科学家们在运用二维材料制备人造皮肤的研究方面，已经取得了重要进展。例如采用人造皮肤技术制备的防护服克服了其厚重、难以操控的缺点，不仅轻便美观，还可以设计特定的结构，针对性地保护实验人员的安全。利用人造皮肤与身体的轻柔接触，我们可以实时检测到身体许多信息，例如心跳、汗液、呼吸等表征数据，可以用来评估健康状况，从而更好地指导我们健康地生活。
图3 原子厚度的晶体管制成的新型芯片
熟知电子产品的人可能会知道，在电子电路中有一条很重要的摩尔定律：“电子电路中的元件数量每两年翻一番”。目前，硅晶体管的尺寸逼近其物理极限，我们需要完全不同类型的材料和器件，来进一步提升计算机的性能。因为二维材料在厚度方向尺寸受限，且存在几乎没有缺陷的光滑表面，电子不易被散射，电荷可以相对自由地流过。所以科学家们期望利用二维材料，突破现有的技术难题，建造下一代运算速度更快、能耗更低的计算机。二维材料自其诞生之日起，就充满着传奇色彩。近十多年的快速发展使得二维材料开始走出实验室，准备进入千家万户改善我们的生活。作为面向未来的前沿新材料，由于现在的科学技术条件和人们认识能力的限制，人们还没有完全掌握二维材料的全部特性。最新的研究表明，仅仅将两层石墨烯的堆叠角度稍加改变就能出现前所未有的新奇性质，所以在二维材料领域还有许多未知的宝藏值得我们去挖掘。
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内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。
目 录
200岁的“热电少年”——探秘热电材料的前世今生
超材料——真的能让你来无影去无踪吗？
当代“鲁班”的故事——揭秘道法自然的仿生材料
常温液态金属——自然界精灵般的材料
芯片材料——信息时代强有力的“心”
微纳机器人——于细微处见神奇
操纵光子的神奇材料——光子晶体
透明胶带中诞生的诺贝尔奖——奇妙的二维材料
纳米世界的碳材料——碳纳米管
石墨烯的“前世今生”
从活字印刷到纳米印刷
从哈利·波特的“复活石”到机体修复的再生医学材料
救死扶伤的神奇玻璃一生物活性玻璃
人类的健康卫士——生物医用材料
可逆的“光合作用”——神奇的光催化
环境净化之必杀利器——催化剂
质子交换膜——神奇的质子导电“高速公路”
合金材料界“新秀”——高嫡合金
会变色的纤维
光热转换—架起太阳与能源危机的桥梁