二维材料的新世界正在打开
材料非常薄，只有几个原子厚，具有独特的特性，使其在能量存储、催化和水净化方面具有吸引力。瑞典林雪平大学的研究人员现已开发出一种能够合成数百种新型二维材料的方法。他们的研究发表在《科学》杂志上。
自从石墨烯被发现以来，极薄材料(即所谓的二维材料)的研究领域呈指数级增长。原因是二维材料相对于其体积或重量具有较大的表面积。这产生了一系列物理现象和独特的性能，例如良好的导电性、高强度或耐热性，使得二维材料在基础研究和应用中都受到关注。
“在厚度只有一毫米的薄膜中，可以有数百万层材料。层与层之间可能会发生大量化学反应，因此，二维材料可用于能量存储或生成燃料等。”林雪平大学材料物理学教授 Johanna Rosén 说道。
最大的 2D 材料家族称为 MXene。 MXene 由称为 MAX 相的三维母体材料创建。它由三种不同的元素组成：M是过渡金属，A是(A族)元素，X是碳或氮。通过用酸去除 A 元素(剥离)，可以创建二维材料。到目前为止，MXenes 是唯一以这种方式创建的材料系列。
林雪平研究人员引入了一种理论方法来预测其他可能适合转换为二维材料的三维材料。他们还证明了理论模型与现实是一致的。
为了取得成功，研究人员采用了三步过程。第一步，他们开发了一个理论模型来预测哪些母材是合适的。利用国家超级计算机中心的大规模计算，研究人员能够从数据库中识别出 119 种有前途的 3D 材料，并选择了 66,3 种材料。
下一步是尝试在实验室中制造这种材料。
“在 119 种可能的材料中，我们研究了哪些材料具有所需的化学稳定性以及哪些材料是最佳候选材料。首先，我们必须合成 3D 材料，这本身就是一个挑战。最后，我们获得了高质量的样品，可以使用氢氟酸剥离并蚀刻掉特定的原子层。”物理、化学和生物系助理教授周杰说。
研究人员从母体材料YRu 2 Si 2中去除了钇(Y) ，从而形成了二维Ru 2 Si x O y。
但要确认实验室的成功，验证是必要的——第三步。研究人员使用林雪平大学的扫描透射电子显微镜 Arwen。它可以在原子水平上检查材料及其结构。在 Arwen 中，还可以使用光谱法研究材料由哪些原子组成。
“我们能够确认我们的理论模型运行良好，并且所得材料由正确的原子组成。去角质后，材料的图像类似于书页。令人惊讶的是，该理论可以付诸实践，从而将化学剥离的概念扩展到比 MXene 更广泛的材料系列，”材料设计部门副教授 Jonas Björk 说道。
研究人员的发现意味着更多具有独特性能的二维材料已经触手可及。反过来，这些可以为大量的技术应用奠定基础。研究人员的下一步是探索更多潜在的前体材料并扩大实验规模。 Johanna Rosén 相信未来的应用几乎是无穷无尽的。
“总的来说，二维材料在大量应用中表现出了巨大的潜力。例如，您可以想象捕获二氧化碳或净化水。现在的重点是扩大合成规模并以可持续的方式进行，”Johanna Rosén 说。
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