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几乎没有厚度的超薄金属是怎样“压”成的？

2004年，单层石墨烯的发现像一颗石子投入科学的湖面，掀起了二维材料研究的巨浪。二十年来，数百种二维材料相继登场，从电子器件到能源存储，不断改写着技术的边界。

但在这个庞大的家族中，却长期缺少一位关键成员——二维金属。直到中国科学院物理所张广宇团队独创“范德华挤压技术”，成功“压”出铋、锡、铅、铟、镓五种原子级厚度的二维金属，才填补了这一空白，被中央电视台列为2025年十大科技新闻之一，并获评英国物理学会《物理世界》“2025年度十大科学突破”中唯一的中国成果 。

我们日常接触的金、银、铜、铁都是三维金属，拥有长、宽、高三个维度，原子间靠强金属键紧密结合，每个原子都被周围原子全方位包裹，根本找不到“下手”的缝隙。而石墨烯等已有的二维材料，母体多是层状结构的“千层饼”，层与层之间靠较弱的范德华力连接，科学家只需像撕便签纸一样，就能剥离出单原子层的二维薄片。

但是在自然界中，层状结构的材料只占不到3%，超过97%的材料都是非层状结构，金属就属于后者。要把三维金属变成二维，相当于要从“压缩饼干”里完整剥出一层原子，不仅不能破坏原子排列，还要保证剥离后的薄片稳定存在——这在过去几十年里，一直是材料科学的“硬核难题”。

更关键的是，二维金属的定义极为苛刻：厚度必须薄到单个或少数几个原子层，相当于头发丝直径的二十万分之一、A4纸厚度的百万分之一。这么薄的金属片，既容易被空气氧化，又可能因原子间作用力失衡而坍塌，制备和保存都难上加难。此前，科学家们尝试过多种方法，但要么只能得到极小尺寸的碎片，要么无法保持金属的本征特性。

面对困境，中科院物理所团队另辟蹊径，发明了一套温柔又精准的“范德华挤压技术”——就像给金属做了一次“原子级塑形”，用巧妙的方法让三维金属“瘦身”成二维。

这项技术的核心原理，可以拆解成三个关键步骤：

第一步：选对“压砧”——原子级平整的“隐形模具”

要压出原子级厚度的金属片，首先得有一副足够精密的“模具”。团队选择了单层二硫化钼作为“范德华压砧”。这种材料有两个无可替代的优势：一是它的表面平整度误差不超过一个原子直径，相当于用一块没有任何瑕疵的“水晶板”作为挤压工具，确保金属在挤压过程中不会被杂质污染，也不会因受力不均而破碎；二是自身稳定性极强，能在高温和高压下保持结构完整。

第二步：熔化金属——让原子“松绑”再重组

接下来，团队将铋、锡等金属加热至熔化状态，变成液态金属液滴。这一步的关键是让金属原子“松绑”：固态金属中，原子被强金属键固定在晶格中，难以改变排列；而液态下，原子间的束缚减弱，更容易在外力作用下形成新的结构。

第三步：精准挤压——原子级厚度的“终极塑形”

将液态金属液滴放在两片单层二硫化钼之间，然后施加温和且均匀的压力。此时，液态金属会在“压砧”的约束下，沿着平面方向扩散，原子逐渐排列成单层或少数几层的平面结构。当厚度达到原子级极限时，停止加压，冷却后就形成了稳定的二维金属。

更神奇的是，这套技术能实现“原子级控厚”——通过调节温度、压力和挤压时间，科学家可以精准控制二维金属的厚度，是单层、双层还是三层，都能精准调控。

整个过程看似简单，实则蕴含着极高的技术门槛：“压砧”的制备需要达到完美的单层质量，温度和压力的控制要精确到原子运动的尺度，任何一个参数偏差都可能导致实验失败。团队经过无数次调试，才最终掌握了这套“原子制造”的核心技术。

被“压”成原子级薄片后，这些金属仿佛获得了“超能力”，展现出和三维块体金属截然不同的优异特性：

1. 导电性飙升，堪比“超级导线”

电学测试显示，单层铋的室温电导率达比三维块体铋的电导率高出一个数量级。这意味着，同样粗细的导线，用二维金属制作能传输更多电流，且能量损耗更小。

2. 电阻可调控，打破金属“天性”

传统块体金属的电阻很难被外部电场调控，变化率通常小于1%，这限制了它们在低功耗器件中的应用。而单层铋的电阻调控达35%——相当于给金属装上了“开关”，能灵活控制电流大小，为制造低功耗全金属晶体管提供了可能。

3. 稳定性超强，“保质期”超一年

二维材料最大的痛点之一是稳定性差，容易被空气氧化或受潮损坏。但中科院团队制备的二维金属，上下都被单层二硫化钼封装，形成了“三明治”结构，有效隔绝了空气和水分。实验测试表明，这些二维金属在空气中放置超一年，性能依然没有退化。

4. 界面“干净”，利于器件集成

由于二硫化钼“压砧”与二维金属之间就像两个光滑的物体轻轻贴合，没有发生化学反应。这种“干净”的界面让二维金属的本征特性得以完整保留，也方便后续与其他材料集成，制作成各类功能器件。

这项技术突破不仅在基础研究领域具有里程碑意义，更在多个应用场景展现出巨大潜力，未来可能深刻改变我们的生活：

二维金属薄到几乎没有厚度，因此在具有高导电性的同时还具有高透明性。未来的电视、手机屏幕可能像一块普通玻璃一样完全透明，在不使用时几乎隐形，而启动后却能呈现鲜艳生动的画面；汽车挡风玻璃可直接显示导航信息。

二维金属具有原子级柔韧性，可承受超过10万次的弯折而不受损。当前可折叠设备面临的最大挑战之一是反复折叠导致的导电线路断裂，而二维金属完美解决了这一问题。智能手机可以像手帕一样折叠后放入口袋，展开后则变成平板电脑大小的显示屏。笔记本电脑的屏幕可卷曲成钢笔大小，随身携带。

二维金属对环境变化极为敏感。当汗液或组织液中的生物标志物与二维金属表面接触时，会引起其导电性能的微小改变，通过监测这些变化即可推算出相应指标浓度。糖尿病患者可使用二维金属传感器无痛监测血糖水平；心脏病患者的心电图监测设备可轻薄如皮肤贴片；超薄心脏起搏器可直接附着在心肌表面，几乎感觉不到存在。

采用二维金属电极的锂电池，未来能量密度有望突破800Wh/kg，比当前最高水平提高一倍以上，充电速度提升5倍。这意味着未来电动汽车有望充电5分钟可续航1000公里，手机充电10分钟可使用一整天。

二维金属的原子级厚度使其对附着分子极其敏感，集成二维金属传感器的智能家居系统可实时检测甲醛、一氧化碳等有害气体，自动启动净化设备。实验表明，其检测灵敏度可达传统传感器的百倍以上，能发现微量污染。

这项突破的意义，远不止制备出五种二维金属那么简单。范德华挤压技术的核心价值，在于它提供了一种“普适性”的原子级制造方案——不仅能用于金属，还能拓展到更多的合金、半导体等其他非层状材料。

“范德华挤压技术”让人联想到《三体III：死神永生》中著名的科幻设定——“二向箔”。它一旦被激活，会制造一个不断扩张的二维空间平面，将周围的三维空间吞噬并“压扁”成二维。

中国科学家在这场材料革命中，用独创的技术占据了先机，为全球二维材料研究贡献了中国智慧和中国方案。

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