未来可能是二维的 - 至少，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实验室在意大利理工学院。
Giorgia Marino：什么是二维材料？我们怎样才能想象他们？
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。
石墨烯可以定义为所有2D材料的“母亲”和碳的同种异体：思考石墨，碳纳米管，富勒烯，20世纪已经研究的所有材料。石墨只不过是石墨烯层的叠加，堆叠在另一个顶部;通过卷曲石墨烯本身，我们获得了纳米管;如果我们将它挤进球，我们得到一个富勒烯。
马里诺：但为什么花了这么长时间才发现石墨烯呢?
科莱蒂：首先，因为我们缺乏能够看到如此薄而透明的东西的方法。实际上，存在正确的技术，但可能是一个更重要的障碍是从热力学的角度来看，这种材料被认为是不稳定的。这意味着例如，从石墨中拆卸和隔离它将使其自身卷曲，因此它不会作为原子厚度存在。
Graphene的发现，[Won]诺贝尔奖到俄罗斯物理学家AndrejKonstantinovičGejm和KonstantinSergeevičTovoğlov之一，是一种几乎令人难以置信的随机性和简单的故事......
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。
Marino：这些属性是什么？
科莱蒂：石墨烯是其中碳原子以蜂窝状，六边形形状布置的结构。对此没有任何异国情调：石墨是相同的，除了由多层石墨烯建造，另一个在另一层之外。已经研究并预测了具有石墨烯的异国性质的可能性，但科学家认为本质上是不可能在没有它立即消失的情况下隔离2D材料。当他们成功时，发现的属性非常出色。这就是为什么人们开始谈论石墨烯作为“神奇的材料”。
梦想是找到所谓的杀手申请，可以真正改变人们的生活中的东西。
首先，我们可以说这是物理学家的游乐场。在这种材料中，实际上，电子，电荷载流子，以与光速相当的相对性的速度行进。在爱因斯坦时的许多理论预测中，由于没有合适的材料来验证它们而不是可验证的，因此终于发现了石墨烯中的实验平台。
当然，人们已经开始思考实际应用。这些非常快速的电子开放的选择非常快速的计算机：内部的石墨烯的梦想出生，这意味着将计算机的存在与石墨烯处理器而不是硅。然后结果是有问题的事情，因为石墨烯总是领导，它没有“开”和“关闭”。因此，在自发现的17年中，尚未实现模糊的石墨烯计算机，并且可能不会选择这种材料的选择。
Marino：返回2D材料属性......
科莱蒂：主要财产是其电荷运营商以令人难以置信的速度行进，接近光速。实际上这些电子几乎没有遇到阻力，并且该特征也决定了超传导的性质。
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。
Marino：使用这些材料时，有什么关键点？
科莱蒂：正如我们所说，我们有“开启和关闭”的问题。从实际工作的角度来看，第一个问题当然是物质如此薄的事实，你需要训练有素的眼睛，即使在显微镜下也需要看到它。
另一个大问题一直试图在大规模上生产它。有一片鳞片的一件事，一张纸，直径薄的头发：如果你在研究实验室里，你可以玩得开心，制作一个小型设备，看看它有效。但是，如果我们谈论应用程序，那么具有如此无穷无尽的尺寸，您无法做任何事情。因此，科学家试图克服的困难之一是以可扩展的方式生产石墨烯，同时保持其性质：具有相同的结晶品质，具有其所有常规六边形，而不会缺少原子或找到别的东西而不是碳。这一点并不容易，但早期取得了很大的进展，几种方法可以让我们在各种基材上获得高质量的石墨烯“生长”。
马里诺:成长?
科莱蒂：我说“成长”，因为这是我们在IIT的实验室中使用的方法，它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1000摄氏度高于1000摄氏度的温度下用甲烷加热的大型烘箱，并在几分钟后进行“化学气相沉积”（CVD）（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，我们冷却烤箱并将其拿出来。大多数时候，您无法看到肉眼的任何东西，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。
Marino：有其他方法可以获得石墨烯吗？
科莱蒂：是的，有;例如，以石墨开始的制造方法：通过以溶剂中的超声波离心，得到“油墨”，然后可以用其他材料喷洒并与其他材料混合以加强其基本性质。它们是低科技应用的理想选择，如头盔和球拍，因此该系统近年来探讨了很多，并启用了已经在市场上的产品的生产。
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。
Marino：为什么这些建筑块由石墨烯制成如此有趣？
科莱蒂：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。
我们有机会在5或10年内看到相关应用中的2D材料。
图石墨烯首先是有趣的，因为它具有将光能转换为电信号的能力，并以节能的方式实现。它允许我们制造通过低能耗和出色的性能，更宽的带宽，非常小的尺寸来制造传输和接收的设备。成本也很有希望，因为原子厚的单层可以移植到现有的光子平台，而无需要求公司更改其所有生产线。
Marino：在更换的可能性方面也是一个有趣的前景批判原料如所谓的稀土元素......
科莱蒂：当然，即使从电子废物污染的角度来看，碳基材料也是一个更可持续的解决方案，这正在成为一个大问题。
Marino：由于我们正在处理碳，可以假设CO2捕获过程从中生产石墨烯？
科莱蒂：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：我们可以想象一个石墨烯的循环经济吗？手机app买球靠谱吗
科莱蒂：是的，可能性在那里。这一切都是为了能够展示它可以完成 - 因为我们已经知道这一点 - 但是可以在保持所获得的高质量的材料时完成。
最重要的是，我的梦想和那些在石墨烯工作的人的梦想是找到所谓的杀手申请，即可以真正改变人们生活中的重要应用程序。不贬低已经在市场上的低科技产品，如球拍，自行车轮胎或其他人，我想在一个能够彻底改变我们的生活的应用中看到石墨烯。正如我所说，我们可以拥有，广泛使用技术，以实现更快更环保的传输。如果我们想象这种景观，有能力生产高质量的石墨烯，具有圆形过程是理想的。
Marino：谈到绿色应用，还有石墨烯装置来净化目前正在研究的水。
科莱蒂：是的，Graphene也显示出具有可能的有趣应用以及该领域的良好性能。作为一种非常通用的材料，取决于它的加工方式，它可以变得非常不透水或多孔，在这种情况下，它恰好吸收了吸收。
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?
科莱蒂：他们中有很多。有一些理论研究，谈到数百和数百种材料，但显然在实践中，我们可以综合，孤立和研究的方式较少。目前最兴趣的是最兴趣的是石墨烯的白色兄弟，氮化硼和过渡金属二甲基甲基（TMD）。氮化硼与蜂窝石墨烯完全相同，但不是具有所有碳原子，有交替的硼原子和氮原子。与石墨烯不同，它是一种绝缘材料，因此将它们放在一起使梦想的电子设备制造。
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。
然后存在由硫致原子（例如硫或硒）形成的过渡金属二甲硅藻（TMD）和过渡金属，例如钨或钼：所以我们含有钨钨，二硫化钼等。这些材料实际上是三维，但是层彼此如此弱连接，您可以去除它们并获得其他2D材料。有趣的是，作为三维材料，它们具有某些性能，而是通过隔离单个原子或单层原子，性质完全不同。例如，硫化根硫化物通常是半导体并且不发光，但在2D形式中，它是相反的，因此可以在电子和光电子中制造大量应用。
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?
科莱蒂：当然，从投资的角度来看，欧洲共同体有很强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。
缺少的是能够识别所有可能的产品中的最佳应用程序，并且在那方面继续以协同态度与公司的协同方式工作，以及那些可以成为应用程序的最终用户的人。我会说我们处于一个好点：如果这种良性循环现在没有中断，我们有很好的机会在五或10年内看到相关应用中的2D材料。
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。
