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    当1930年, 3M科学家将普通胶带和杜邦的不透水玻璃纸结合制作出了一种清洁,廉价的粘合设备——透明胶带时,美国正处于经济大萧条,这款产品非常适合用于节省人口和节省人力 - 这是一项非凡的进步。透明胶带可用于修补各种材料的裂痕,音乐家使用透明胶带修补撕裂的乐谱; 妇女,修理破损的指甲; 会计师,恢复撕毁账簿; 和银行,修复撕毁的货币。

    今天,我们大多数人把这种极其耐用和有用的产品视为理所当然。但正是这种随处可见的日用品让材料科学家们再次实现新的突破,开创了化学和材料制造领域的下一次复兴:提取石墨烯,这是第一个二维材料。

    在2004年曼彻斯特大学实验室的一个星期五下午,科学家Andre Geim和Kostya Novoselov在调查碳石墨的电性能。两位物理学家突然异想天开,他们决定测试是否可以通过用透明胶带剥下一层来获得更薄的石墨片。(他们看到其他研究人员使用胶带清洁石墨,然后将其放在显微镜下。)

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    在第一次通过时,Geim和Novoselov脱离了数百层碳而不干扰其底层结构。有趣的是,他们用更多的磁带重复这个过程。不久之后,他们将石墨剥离回其最薄的可能排列:由单个原子组成的层。这里有一个非常简短的材料,一种铅笔薄材料,它可以被描述为二维的,这是科学家多年来一直追逐的令人惊叹的难以捉摸的概念,这就是石墨烯。这是在透明胶带的帮助于实现的突破。

    经过10多年的学术研究和开发,这一奇异的突破正在产生大量的新材料,这些新材料在石墨烯碳族和其他2D分子中都不可能很薄且不可能很强。石墨烯适用于广泛的纳米材料,涵盖厚达100纳米的产品。石墨烯具有独特的特性,可以实现奇迹。随着碳原子排列在紧密堆积的蜂窝状晶格中,石墨烯比钢更坚韧,并且比橡胶带更柔韧。它传导热量和电力,它透明,几乎没有重量,不透气,甚至是细菌。

    石墨烯只是世界各地数以千计的学术研究实验室正在研究的许多纳米材料之一。在他们开发和研究的分子大小的世界里,更多的材料正在出现,与以前已知的材料相比,这些材料不仅看起来不同,而且作用和反应也不同,他们可以解决人类最棘手的问题。可能性包括可再生能源和减少污染方面的突破; 治疗疾病和先天性疾病; 在计算机,传感器和机器人技术方面; 在制造业; 以及新的服装和包装形式。

    最有希望的后石墨烯纳米材料之一是过渡金属硫属化合物,这包括,二硫化钨、二硫化钼、二硒化钨和二硒化钼。在普通形式中,二硫化钨或二硫化钼是一种常见的润滑剂,用于航空航天发动机的润滑及尼龙、特氟龙的组件。当这些元素像石墨烯一样减薄到单层形态时,它们爆发出前所未有的应用潜能,它们是惊人的强大的半导体新材料,它可以将微小的光量转化为光伏能量,可用于太阳能电池阵列、光纤网络、氢能源转换及计算机和电信组件。

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    世界每年都有数百篇关于二维材料的研究论文被科学家发表,以描述一系列领域的纳米材料实验。例如,在制造业中,有科学家尝试用石墨烯制出密度是钢的5%,但是强度是钢10倍,并且可以在3D打印机中加工的飞机机体;在过去的五十年里,计算机技术的每一项进步都源自于元件和芯片的小型化以及随之而来的性能改进,有科学家尝试用二硒化钨制出可以比现有市场产品快100倍的存储设备或快10000倍的处理器公司芯片材料。此外,二硫化钨也被应用未来光医疗,有科学家使用纳米材料标记患者体内的肿瘤细胞,记录细胞内结构之间几乎不可感知的电信息,揭示微小的突变和功能障碍,包括肿瘤生长的开始阶段,将分子药物直接递送至靶细胞。

    尽管迄今为止已经有十几个二维粒子被分离出来,但石墨烯仍然是唯一经常被用于商业应用的粒子。在未来三到五年内,科学家们频繁地推出新的创新技术,同时积累关于这些奇迹材料如何运作的知识。总之,二维材料世界仍有着许多未知的发现,科学家们认为二维材料将彻底改变推动或改变人类科学的发展进程,比现有的房地产业拥有更大的产业价值,二维材料将带动真正的科技革命。


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