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圖片中所有原子都是硼，粉紅色的硼原子專門參與了層與層之間的鍵合。圖片來源：美國西北大學

據(jù)26日發(fā)表在《自然·材料》雜志上的最新研究，美國西北大學工程師首次創(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簇的自然趨勢。

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、更輕、更柔韌，被科學界寄予厚望，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、太陽能電池和量子計算帶來革命性的變化。

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，因此需要襯底作為載體或者支撐。

5年前，來自同一研究團隊的科學家們首次創(chuàng)造了只有單原子厚度的硼烯。理論研究預測認為，制備雙層硼烯是可能的，但這項研究的聯(lián)合資深作者、西北大學的馬克·赫薩姆說：“理論很少告訴你實現(xiàn)這種新結(jié)構(gòu)所需的綜合條件。”

如果生長單層硼烯都很困難，那么生長多層原子平面結(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會導致形成團簇，而不是平面結(jié)構(gòu)。研究人員稱，試圖生長多層硼烯的關(guān)鍵就在于找到阻止團簇形成的生長條件。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，正確條件的關(guān)鍵是用來生長硼烯的襯底。在這項研究中，研究人員在平面的銀質(zhì)襯底上培養(yǎng)了硼烯。當暴露在非常高的溫度下時，銀會在原子級臺階結(jié)構(gòu)之間形成異常平坦的“梯田”。

當在這些巨大而平坦的“梯田”上“種植”硼烯時，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。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，可用來儲存能量或化學物質(zhì)。

“有理論預測，雙層硼烯是一種很有前途的電池材料，”赫薩姆說，“層與層之間的空間提供了容納鋰離子的地方?！?/span>

研究團隊希望繼續(xù)生長更厚的硼烯，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

2004年“新材料之王”石墨烯問世，風靡了科學與工程界，人們自此開始不斷地去嘗試設(shè)計新型二維材料，但目前只有硼烯存在與石墨烯一樣的純平面結(jié)構(gòu)。在進一步探索中，硼烯展現(xiàn)出了集堅、柔、韌于一體的優(yōu)異性能，如今雙層硼烯的制備成功，更將進一步佐證其在力學、光學、電學、熱傳輸?shù)阮I(lǐng)域的全面開花的能力。雖然在近期實現(xiàn)非常大的突破應用還不太可能，但它無疑代表著未來新材料的一個重要發(fā)展方向。