未来可能是二维的——至少是材料的未来。

自2004年俄罗斯物理学家安德烈·Gejm和克斯特亚诺沃肖洛夫成功地孤立的第一单原子层石墨烯,从石墨的一个简单的铅笔,二维材料的潘多拉魔盒已经被打开,一个大家庭的原子晶格sci-fi-like属性,而在那之前被认为是无法访问的。在大胆的实验、研究和技术障碍之间，石墨烯及其兄弟姐妹的杀手级应用竞赛由此开始，在各个领域有希望的解决方案不仅比目前的方案表现更好，而且更节能、更循环。

我们和卡米拉·科莱蒂(Camilla Coletti)聊过这个问题，她是“2D材料工程”研究线的热心协调员石墨烯的实验室在意大利理工学院

乔治娅·马里诺:什么是二维材料?我们怎么能想象它们呢?

Camilla Coletti：这个概念不是不言自明的。二维材料，比如石墨烯，实际上是一种只有一个原子厚度的材料。我们可以想象一个原子厚度的薄片，薄到几乎看不见。这就是为什么我们迟迟才发现它的存在。

石墨烯可以被定义为所有二维材料和碳的同素异形体的“母体”:想想石墨、碳纳米管、富勒烯，所有在20世纪已经被研究的材料。石墨只不过是一层又一层石墨烯的叠加;通过卷曲石墨烯，我们得到了纳米管;如果我们把它挤成一个球，就得到富勒烯。

马里诺：但为什么花了这么长时间才发现石墨烯呢?

Coletti:首先，因为我们缺乏能够看到如此薄而透明的东西的方法。事实上，正确的技术是存在的，但更重要的障碍可能是，从热力学的观点来看，这种材料是不稳定的。这意味着把它从石墨中分离出来，例如，会使它自己卷曲，因此它不会以原子厚度的薄片存在。

石墨烯的发现为俄罗斯物理学家Andrej Konstantinovič Gejm和Konstantin Sergeevič Novosëlov赢得了诺贝尔奖，这是一个几乎难以置信的故事，因为它发生的随机性和简单性……

这是一种发现，源于一种超越人们所相信的可能性的渴望。在科学家的世界里，周五晚上，他们不是出去喝酒，而是喜欢做“奇怪的”实验。于是，这两位俄罗斯科学家决定，在曼彻斯特的一个周五晚上，用透明胶带一次又一次地重复去角质，看看是否有可能分离出一层石墨烯。他们最终获得了诺贝尔奖。人们经常说这个奖颁得太仓促了，颁给了一个幼稚的实验。但实际上，这两位科学家不仅分离出了石墨烯，还研究了它的性质:正是这一点改变了一切。

马里诺:这些属性是什么?

Coletti:石墨烯是一种碳原子排列成蜂窝状、六角形的结构。这并没有什么特别之处:石墨其实是一样的东西，只不过它是由多层石墨烯层层叠加而成的。石墨烯具有奇异特性的可能性已经被研究和预测过，但科学家们认为，在自然界中，不让2D材料立即消失是不可能分离出来的。当他们成功时，发现的属性是非常特殊的。这就是为什么人们开始把石墨烯称为“神奇材料”。

我们的梦想是找到所谓的杀手级应用程序，能够真正改变人们的生活。

首先，我们可以说它是物理学家的游乐场。事实上，在这种材料中，电子，电荷载体，以与光速相当的相对论速度运动。爱因斯坦时代的许多理论预测，因为没有合适的材料来验证，而无法证实，但最终在石墨烯中找到了一个实验平台。

然后，当然，人们开始考虑实际应用。这些速度极快的电子为设计速度极快的计算机提供了可能性:将石墨烯植入计算机内部的梦想由此诞生，这意味着计算机将采用石墨烯处理器而不是硅处理器。后来证明这是有问题的，因为石墨烯总是先导，它没有“开”和“关”。因此，在石墨烯被发现的17年里，模糊的石墨烯计算机还没有实现，也可能不会成为这种材料的应用选择。

Marino:回到2D材料属性……

Coletti:它的主要特性是它的载流子以难以置信的速度移动，接近光速。实际上，这些电子在运动时几乎不遇到阻力，这一特性也决定了超导体的性质。

其次是它的透明度:可见光谱中97%的光都可以通过它。此外，石墨烯是一种非常柔韧的材料，但同时它也非常耐腐蚀性:像钻石一样坚固，但像塑料一样柔韧。简而言之，我们可以用它做很多有趣的事情。

马里诺:使用这些材料的关键点是什么?

Coletti:就像我们说的，我们有“断断续续”的问题。从实际工作的角度来看，第一个问题当然是，这种材料太薄，即使在显微镜下也需要训练有素的眼睛才能看到。

另一个大问题是试图大规模生产。有一个直径像头发一样薄的薄片是一回事:如果你在实验室里，你可以很开心地制作一个小设备，看看它的工作效果如何。但如果我们讨论应用，在无穷小的维度下你什么都做不了。因此，科学家们试图克服的首要困难之一，就是以一种可扩展的方式生产石墨烯，同时保持其性质:具有相同的晶体质量，所有的规则六边形，同时不遗漏一个原子，也不发现碳以外的其他物质。这并不容易，但早期已经取得了很多进展，有几种方法可以让我们在不同的基片上“生长”高质量的石墨烯。

马里诺:成长?

Coletti:我说“成长”，因为这是我们在IIT的实验室中使用的方法，这是获得它最经典的方法之一。您使用我们称之为晶圆的圆形板，将石墨烯存放在上面。根据最终应用选择基板的类型，并且可以是硅，碳化硅，蓝宝石，铜或通常用于电子应用中的任何其他材料。将晶片置于在1000摄氏度高于1000摄氏度的温度下加热的大型烘箱，并在几分钟后进行，称为“化学气相沉积”（CVD）的反应：实际上，来自甲烷的碳沉积在基板上石墨烯。在过程结束时，我们很酷烤箱并将它拿出来。大多数时候，您无法看到任何肉眼，如果您获得了完美的石墨烯单层，则必须使用光谱或显微镜检查。

马里诺:还有其他方法获得石墨烯吗?

Coletti:是的,有;例如，以石墨为原料的制造过程:通过在溶剂中以超声波速度离心，就可以获得“墨水”，然后将其喷洒并与其他材料混合，以增强其基本性能。它们是低技术应用的理想选择，比如头盔和球拍，所以这个系统在最近几年进行了很多探索，并使已经上市的产品得以生产。

烤箱系统，另一方面，让我们有非常高质量的材料，纯的，不是溶液形式。一旦获得石墨烯，我们就会制造设备，例如数据传输设备，这些设备被证明是非常高效的，因为石墨烯既可以作为发射器，也可以作为接收器。

马里诺:为什么这些由石墨烯制成的光子学积木如此有趣?

Coletti:Covid，如果有任何需要，告诉我们我们有多么需要数据传输。需求变得非常巨大，现在我们已经达到了每两年带宽翻一番的水平，但这必须以相同的成本、能源消耗和足迹(即设备的尺寸)为代价。在电子领域，我们已经达到了硅器件所能达到的最小尺寸;在光子学领域，我们已经达到了我们所使用的材料所能达到的最大尺寸。我们需要新材料。

我们很有可能在5到10年内看到2D材料在相关领域的应用。

石墨烯在这一领域很有趣，首先是因为它能够将光能转化为电信号，而且是以一种节能的方式实现的。它使我们能够制造出低能耗、性能优异、带宽宽、体积小的传输和接收设备。成本也很可观，因为原子厚的单分子膜可以移植到现有的光子平台上，而无需公司改变所有的生产线。

Marino：在更换的可能性方面也是一个有趣的前景关键原材料比如所谓的稀土元素…

Coletti:当然，碳基材料是一个更可持续的解决方案，即使从电子垃圾污染的角度来看，这已经成为一个大问题。

马里诺:既然我们讨论的是碳，有没有可能假设二氧化碳捕获过程从哪里生产石墨烯?

Coletti:用二氧化碳代替甲烷实际上是我们想到的第一个解决方案，但我们不得不停止，因为我们的机器的技术限制。然而，已经有研究利用不同类型的废物、有机产品和植物油来获取碳，并从中生产石墨烯。质量还不是一流的，但肯定这些过程将在不久的将来得到完善。

Marino：我们可以想象石墨烯的循环经济吗？手机app买球靠谱吗

Coletti:是的，可能性在那里。这一切都是关于能够展示它可以做到的 - 因为我们已经知道这一点 - 但是可以在保持获得的高质量的材料时完成。

最重要的是，找到所谓的杀手级应用，也就是能够真正改变人们生活的重要应用，这是我的梦想，也是石墨烯工作者的梦想。在不影响市场上已经存在的低技术产品(如球拍、自行车轮胎或其他)的情况下，我希望看到石墨烯的应用能够让我们的生活变得更好。正如我所说的，我们可以广泛使用更快、更环保的技术。如果我们想象这样一种景观，那么通过循环过程生产高质量石墨烯将是理想的。

马里诺:说到绿色应用，目前也在研究用于净水的石墨烯装置。

Coletti:是的，石墨烯在这一领域已经显示出可能的有趣的应用和良好的性能。作为一种用途广泛的材料，取决于它的加工方式，它可以变得非常不渗透或多孔，在这种情况下，它恰好适合吸收。

马里诺:关于石墨烯，我们谈了很多，但它并不是唯一的2D材料。在发现它之后，一个新的二维材料的宇宙似乎打开了:有多少?

Coletti:有很多这样的人。理论研究涉及成百上千种材料，但显然在实践中，我们能够合成、分离和研究的材料要少得多。目前人们最感兴趣的是石墨烯的白种兄弟，氮化硼和过渡金属二卤族化合物(TMD)。氮化硼的制作方法与蜂窝石墨烯一模一样，但硼原子和氮原子交替存在，而不是全部由碳原子组成。与石墨烯不同，它是一种绝缘材料，所以把它们放在一起就能制造出梦幻般的电子设备。

工业世界对此很感兴趣。现在的问题是能够大规模地证明二维材料的再现性。

然后是过渡金属二卤族(TMD)它是由硫原子(例如硫或硒)和过渡金属(如钨或钼)形成的所以我们有二硫化钨，二硫化钼等等。这些材料实际上是三维的，但各层之间的连接很弱，你可以剥离它们，得到其他2D材料。有趣的是，作为三维材料，它们有一定的特性，但通过分离单个原子或单层原子，它们的特性就完全不同了。例如，硫化钨通常是一种半导体，不发光，但在二维的形式下，它是相反的，因此你可以在电子和光电子领域进行大量应用。

Marino:在不久的将来，2D材料的有形的、可销售的应用还缺少什么，需要什么?

Coletti:当然，从投资的角度来看，欧洲共同体提供了强有力的帮助石墨烯旗舰项目我们是其中的一部分，许多欧洲国家和机构都是其中的成员。该项目使公司和研究机构之间产生协同效应成为可能，以便迅速走向实际应用的开发。

我们所缺少的是能够从所有可能的应用程序中识别出最好的应用程序，并在这个方向上继续与公司和那些可能成为应用程序最终用户的人协同工作。我想说，我们现在处于一个很好的阶段:如果这个良性循环不被打断，我们很有可能在5到10年内看到2D材料在相关领域的应用。

幸运的是，工业世界的兴趣是在那里。现在的问题是能够在大规模上展示2D材料的再现性：我们可以在3厘米上做的一切，我们需要在15厘米上进行。总而言之，现在我们需要可重复性和市场。