21世纪的小能手—2D材料

材料牛注：石墨烯等2D材料将在新世纪中大展身手。将具有独特光学、力学和电学性能的超薄材料相互混合并匹配，可为诸多领域提供定制的、性能更加优良的材料。

新的材料改变世界！我们谈论青铜时代和铁器时代的原因在于：不锈钢和硅让摩登时代成为可能。现在一种由单原子层组成的新材料的出现，将对未来产生影响深远。在过去数年中，已发现的二维材料包括石墨烯、硼烯、六方氮化硼（白石墨烯）、锗烯、硅烯、磷烯和锡烯。每一种2D材料都具有非常优越的性能，将2D材料组合可以制造出更多的新材料。

单分子层材料的革命始于2004年，两位著名的科学家利用透明胶带得到2D的石墨烯—这兴许是首次利用幼儿园教室里面就能找到的工具获得了诺贝尔奖。石墨烯强度高于钢铁，硬度高于金刚石，轻于绝大多数物质，透明，有弹性并且是超快的导电体。除水蒸气可以自由通过其分子网格外，绝大多数物质都无法通过石墨烯。

最初，石墨烯的价格高于黄金，但由于生产技术的进步，石墨烯价格逐步降低，六方氮化硼的市场售价也逐步走低。利用高性价比的石墨烯制造滤水器，可以降低海水淡化和污水处理的成本。随着石墨烯成本持续降低，可以在铺筑道路的材料中加入石墨烯来吸收一氧化碳和氮氧化物而清洁空气。
其他2D材料应用的历程可能与石墨烯类似，随着成本的降低而逐步被大量使用，并在高附加值产品如电子领域发挥他们独特的性能。例如，将石墨烯用于制作可穿戴柔性传感器—实际上，利用最新的增材制造技术（Additive Manufacturing），可将石墨烯直接打印在纤维织物上。在高分子中加入石墨烯可以让飞机机翼、自行车轮胎等质轻且高强。

六方氮化硼、石墨烯和氮化硼等材料的联合应用，可以提升锂离子电池和超级电容器的性能，使得智能手机、电动车等产品中的电池能量密度提高、充电时间减少、使用寿命延长并减轻重量和减少污染。

对于新材料的使用，毒性通常是人们关心的问题之一。明智的做法是保持谨慎的态度和高度的关注。根据石墨烯毒性近十年的研究来说，目前还不需担心石墨烯会对人类健康和环境产生危害，但研究还在继续。

2D材料的出现像是给技术人员打开了一个强大的工具箱，科学家和工程师们巧妙地将这些具有独特光学、力学和电性能的超薄材料相互搭配，为很多领域制作性能更加优良的材料。相比之下，作为20世纪工业基础的钢铁和硅则显得笨拙而粗糙。

原文链接：2-Dimensional Materials Create New Tools for Technologists

本文由编辑部月亮提供素材，田思宇翻译，李卓审核；点我加入材料人编辑部。

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