重组原子：从科幻到现实

材料牛注：大家肯定没有少看过科幻电影中的原子重组镜头，从《超体》里面黑寡妇大脑控制自己身体进行原子重组，再到科幻小说中通过原子重组的穿墙而过……最近，科学家们把原子重组从科幻中带到了他们的实验室，让我们一睹为快吧！

将岩盐结构转化为石墨烯结构

莫斯科物理技术学院(MIPT)、斯科尔科沃科技学院(Skoltech)、超硬与新型碳材料研究所(TISNCM)、俄罗斯国立科技大学、莱斯大学（美国）的科学家们借助计算机模拟找到了把不同的盐转化成类似石墨烯的2D材料的方法。2D材料性质独特，从而使这一发现成为打开纳米电子学世界的钥匙。本项研究成果发表在The Journal of Physical Chemistry Letters上。

从3D到2D的飞跃

只有一个原子厚度的石墨烯是一种性质独特，十分引人注意的材料。其晶体结构与蜂窝类似，碳原子之间的键呈正六边形连接。石墨烯即单层3维石墨晶体，但是其性质却与石墨有关天壤之别。自发现石墨烯后，人们对迷人的2D材料进行了大量研究。超薄膜性质独特，可应用于纳米和微电子学等领域。

从前的理论研究表明，离子键连接的立方结构薄膜可自行转化为层状六边形石墨结构，这一过程即为石墨化。目前已发现了一些材料的石墨化转变机制。据预测，岩盐NaCl可能有石墨化的倾向。立方化合物经石墨化后，形成的新结构在纳米电子学领域发展会得到广泛应用。但是，尚未有理论证明任何一种立方结构均可石墨化，也没有理论表明岩盐可以石墨化。

实现石墨化过程，需使岩盐晶体层沿立方结构的主对角线削减，最终使一层晶体表面为Na离子，另外一层为Cl离子。值得注意的是，结构格点均为阳离子或阴离子而非中性原子占据，这使得两个表面积聚相反的电荷。只要结构表面相距足够远，所有电荷即会相互抵消，为此，岩盐显示出明显的立方结构倾向。然而，如果薄膜足够薄的话，两表面的异种电荷会产生极大的偶极距。结构将自行抵消偶极距，使系统能量上升。为使表面呈电中性，晶体将进行原子重组。

实验VS模型

为研究不同化合物的石墨化倾向，研究人员对通用化学式为AB的双相化合物进行了观察。这里化学式中的A表示碱金属Li，Na，K，及放射元素Rb，在周期表中，这些元素位于第一主族，活性很强。化学式中的B代表卤族元素，如F，Cl，Br，I，上述元素来自第ⅦA族，可与碱金属产生反应。

用于研究的所有化合物结构各不相同，即晶格或晶相不同。若气压增加300，000倍，NaCl的另外一种相(B2)为稳定相。为检测其参量及选择方式，科研人员模拟了两种晶格点阵，并计算了对应相转变所需的压力。实验数据与预测相吻合。

到底要多薄？

本项研究中的所有化合物均可由不稳定的G相转化为极具稳定性的超薄膜。研究人员确定了立方及六方结构薄膜表面的能量关系，并借助两条斜率不同的直线反映出来。两条直线的交点为发生转变厚度的临界点。如，钠盐约为11，锂盐介于19~27。

基于这项数据，科研人员建立了临界层数与两个参量之间的关系，不同化合物的离子键强度由这两个参量决定。第一个参量给出了给定金属的离子尺寸，即离子半径。第二个参量电负性，表示金属原子吸引卤族元素B的能力强弱。高电负性吸引能力强，离子键具有明显的离子性，更大的表面偶极距，临界厚度较小。

原子重组带给我们更多的遐想

Pavel Sorokin为TISNCM新材料模拟实验室的负责人，他对研究的重要性做出了解释，“本项工作已经吸引了以色列及日本同仁的关注，如果他们从实验上印证了我们的发现，这一现象（指石墨化）将为合成超薄膜指明方向，可在纳米电子学大量应用。”科研人员打算将其研究扩大到其他化合物，他们认为不同成分的超薄膜也能自行进行石墨化，形成性质独特的新型层状结构。

原文链接：Scientists find a way of acquiring graphene-like films from salts to boost nanoelectronics

本文由编辑部杨洪期提供素材，王八嫉妒月亮编译，点我加入材料人编辑部

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