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圖片中所有原子都是硼，粉紅色的硼原子專門(mén)參與了層與層之間的鍵合。圖片來(lái)源：美國(guó)西北大學(xué)

據(jù)26日發(fā)表在《自然·材料》雜志上的最新研究，美國(guó)西北大學(xué)工程師首次創(chuàng)造出一種雙層原子厚度的硼烯，打破了硼在單原子層限制之外形成非平面團(tuán)簇的自然趨勢(shì)。

硼烯是一種單原子厚的硼薄片，是由硼原子構(gòu)成的單原子層厚的二維材料，比石墨烯更強(qiáng)、更輕、更柔韌，被科學(xué)界寄予厚望，或?qū)⒊蔀槔^石墨烯之后又一種“神奇納米材料”，有望給電池、電子產(chǎn)品、傳感器、太陽(yáng)能電池和量子計(jì)算帶來(lái)革命性的變化。

然而，單原子層硼烯的合成是具有挑戰(zhàn)性的。石墨烯可以使用像透明膠帶這樣簡(jiǎn)單的東西從固有的層狀石墨中剝離，而硼烯不能僅從塊狀硼中剝離，取而代之的是，要獲得硼烯通常需要制備生長(zhǎng)，因此需要襯底作為載體或者支撐。

5年前，來(lái)自同一研究團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們首次創(chuàng)造了只有單原子厚度的硼烯。理論研究預(yù)測(cè)認(rèn)為，制備雙層硼烯是可能的，但這項(xiàng)研究的聯(lián)合資深作者、西北大學(xué)的馬克·赫薩姆說(shuō)：“理論很少告訴你實(shí)現(xiàn)這種新結(jié)構(gòu)所需的綜合條件。”

如果生長(zhǎng)單層硼烯都很困難，那么生長(zhǎng)多層原子平面結(jié)構(gòu)的硼烯似乎是不可能的。由于塊狀硼不像石墨那樣是層狀的，超出單原子層的生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致形成團(tuán)簇，而不是平面結(jié)構(gòu)。研究人員稱，試圖生長(zhǎng)多層硼烯的關(guān)鍵就在于找到阻止團(tuán)簇形成的生長(zhǎng)條件。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，正確條件的關(guān)鍵是用來(lái)生長(zhǎng)硼烯的襯底。在這項(xiàng)研究中，研究人員在平面的銀質(zhì)襯底上培養(yǎng)了硼烯。當(dāng)暴露在非常高的溫度下時(shí)，銀會(huì)在原子級(jí)臺(tái)階結(jié)構(gòu)之間形成異常平坦的“梯田”。

當(dāng)在這些巨大而平坦的“梯田”上“種植”硼烯時(shí)，研究人員看到了第二層的形成。這種雙層材料既保持了硼烯所有理想的電子性能，又存在新的優(yōu)點(diǎn)。例如，這種材料由兩層原子層厚的薄片黏合在一起，中間有空間，可用來(lái)儲(chǔ)存能量或化學(xué)物質(zhì)。

“有理論預(yù)測(cè)，雙層硼烯是一種很有前途的電池材料，”赫薩姆說(shuō)，“層與層之間的空間提供了容納鋰離子的地方。”

研究團(tuán)隊(duì)希望繼續(xù)生長(zhǎng)更厚的硼烯，或者創(chuàng)造出具有不同原子幾何結(jié)構(gòu)的雙層硼烯。

總編輯圈點(diǎn)

2004年“新材料之王”石墨烯問(wèn)世，風(fēng)靡了科學(xué)與工程界，人們自此開(kāi)始不斷地去嘗試設(shè)計(jì)新型二維材料，但目前只有硼烯存在與石墨烯一樣的純平面結(jié)構(gòu)。在進(jìn)一步探索中，硼烯展現(xiàn)出了集堅(jiān)、柔、韌于一體的優(yōu)異性能，如今雙層硼烯的制備成功，更將進(jìn)一步佐證其在力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、熱傳輸?shù)阮I(lǐng)域的全面開(kāi)花的能力。雖然在近期實(shí)現(xiàn)非常大的突破應(yīng)用還不太可能，但它無(wú)疑代表著未來(lái)新材料的一個(gè)重要發(fā)展方向。