二維金屬“紙”入選《物理世界》2025年度“十大科學(xué)突破”

英國(guó)《物理世界》（Physics World）12月12日正式公布2025年度“十大科學(xué)突破”榜單，中國(guó)科學(xué)院物理研究所張廣宇團(tuán)隊(duì)“首創(chuàng)二維金屬 ‘紙’”入選，同時(shí)入選的還包括小行星生命起源線索、分子超流現(xiàn)象等國(guó)際重大科學(xué)突破。這是本年度唯一入選的中國(guó)科學(xué)研究成果。

2004年石墨烯的發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了二維材料新紀(jì)元。自此，全球科學(xué)家已制備出數(shù)百種二維材料，理論預(yù)測(cè)更是接近2000種，但這些材料均局限于層狀體系——類(lèi)似 “千層餅”的結(jié)構(gòu)通過(guò)弱范德華力結(jié)合，可通過(guò)機(jī)械剝離等方式獲得單層。而占元素周期表約80%的金屬，因具有非層狀結(jié)構(gòu)、強(qiáng)金屬鍵及高對(duì)稱(chēng)性，如同 “壓縮餅干” 般不可能通過(guò)機(jī)械剝離方式進(jìn)行拆分。因此，科學(xué)界一直認(rèn)為獲得原子級(jí)薄的二維金屬“紙”是“不可能完成的任務(wù)”。

能否制備出具有奇異特性的二維金屬成為一項(xiàng)世界性難題。為攻克這一難題，張廣宇團(tuán)隊(duì)歷時(shí)多年攻關(guān)，首創(chuàng)“原子制造的范德華擠壓技術(shù)”，利用團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的原子級(jí)平整單層二硫化鉬作為“范德華壓砧”，實(shí)現(xiàn)了埃米級(jí)極限厚度下二維金屬的普適制備，成功獲得鉍（6.3?）、錫（5.8?）、鉛（7.5?）、銦（8.4?）和鎵（9.2?）五種二維金屬。這些材料的厚度僅為頭發(fā)絲直徑的二十萬(wàn)分之一、A4紙厚度的百萬(wàn)分之一。這種二維金屬“紙”，不但實(shí)現(xiàn)了人們?cè)诳茖W(xué)上挑戰(zhàn)極限的夢(mèng)想，也極大地豐富了現(xiàn)有材料家族。

初步研究結(jié)果揭示，二維金屬具有多方面優(yōu)異特性：制備的二維金屬具有超1年無(wú)性能退化的環(huán)境穩(wěn)定性，且擁有非成鍵界面，為探索材料本征特性奠定基礎(chǔ)；電學(xué)測(cè)試表明，單層鉍的室溫電導(dǎo)率達(dá)9.0×10?S/m，較塊體鉍提升一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，還展現(xiàn)出獨(dú)特的P型電場(chǎng)效應(yīng)，電阻可通過(guò)柵壓調(diào)控35%（超塊體金屬<1%）；二維金屬的厚度可以在原子精度下可控（單層、雙層或三層等），為研究新奇層量子限域效應(yīng)提供了全新平臺(tái)。

“這一突破不僅填補(bǔ)了二維材料家族的關(guān)鍵拼圖，更開(kāi)辟了全新研究領(lǐng)域。” 該成果論文共同通訊作者杜羅軍指出，二維金屬有望衍生出量子霍爾效應(yīng)、二維超導(dǎo)等宏觀量子現(xiàn)象，為低功耗晶體管、高頻器件、超靈敏探測(cè)等技術(shù)革新提供核心材料。元素周期表有88種金屬元素，目前實(shí)現(xiàn)的5種僅僅只是“冰山一角”，加上二元及多元合金，未來(lái)尚有上萬(wàn)種二維金屬材料待探索，為該領(lǐng)域科學(xué)研究和潛在的實(shí)際應(yīng)用留下了廣闊空間。

該成果自2025年3月在《自然》發(fā)表以來(lái)，迅速引發(fā)全球?qū)W界與媒體高度關(guān)注。加州大學(xué)歐文分校教授Sanchez-Yamagishi在同期《自然》撰寫(xiě)評(píng)論，盛贊其為“實(shí)現(xiàn)大面積真正二維金屬的令人印象深刻的壯舉”。央視綜合頻道“新聞聯(lián)播”在全國(guó)科技工作者日專(zhuān)題報(bào)道中，將其列為基礎(chǔ)前沿研究三大代表性原創(chuàng)成果之一，新聞?lì)l道進(jìn)行直播報(bào)道。《科學(xué)》《物理世界》《人民日?qǐng)?bào)》等50余家國(guó)內(nèi)外權(quán)威媒體亮點(diǎn)聚焦，總瀏覽量超千萬(wàn)。

《物理世界》“十大科學(xué)突破”以學(xué)術(shù)權(quán)威性著稱(chēng)，入選成果需滿足“科學(xué)意義重大、推動(dòng)知識(shí)邊界、理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合、引發(fā)全球物理學(xué)家廣泛關(guān)注”四大核心標(biāo)準(zhǔn)。張廣宇團(tuán)隊(duì)的成果憑借對(duì)材料科學(xué)的顛覆性貢獻(xiàn)、獨(dú)創(chuàng)技術(shù)的普適價(jià)值及廣闊應(yīng)用前景，成功躋身榜單，標(biāo)志著我國(guó)在二維金屬領(lǐng)域已占據(jù)國(guó)際領(lǐng)先地位，為該領(lǐng)域貼上“中國(guó)標(biāo)簽”。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院物理研究所

責(zé)任編輯：閆文藝