中国首创“二维金属”，入选《物理世界》2025年十大突破性进展

十大品牌 2025年12月22日 21:54 1 cc

12月15日，英国《物理世界》杂志公布了2025年度十大科学突破榜单，中国科学院物理研究所张广宇团队的"首创二维金属"研究成功入选，这也是本年度唯一上榜的中国研究成果。这项发表在今年3月《自然》杂志上的工作，解决了一个困扰科学界多年的难题，如何在三维世界里造出真正的二维金属。

说实话，这个成就听起来有点玄乎，但它的意义绝对不容小觑。自从2004年石墨烯横空出世，二维材料就成了物理学和材料科学的香饽饽。20年过去了，科学家们已经发现了几百种可以在实验室研究的二维材料，理论上预测的更是接近2000种。但有个关键问题一直没解决——金属类的二维材料特别难搞。

为什么二维金属这么难造

要理解这个困难在哪，得先搞清楚什么是二维材料。简单说，就是厚度只有一个或几个原子层的超薄材料。石墨烯就是典型代表，它是单层碳原子排列成的蜂窝状结构，厚度只有0.335纳米。这么薄的材料之所以能稳定存在，是因为原子之间在平面方向上有强的化学键连接，而层与层之间靠的是弱的范德华力。

但金属不一样。金属原子之间靠金属键结合，这种化学键在各个方向上都很强，没有明显的方向性差异。你要是硬把金属压成一两个原子厚，它会本能地想往各个方向扩展，变回三维块状结构。这就像你想把一团橡皮泥压成纸一样薄，但它总是想弹回原来的形状。

张广宇团队研发的"范德华挤压技术"巧妙地绕过了这个难题。他们先把金属加热到熔融状态，然后用原子级平整的单层二硫化钼做"压砧"，从上下两个方向把熔融金属夹住并挤压。二硫化钼表面没有悬挂键，跟金属之间只有弱的范德华作用力，不会形成强的化学键合。这样一来，被夹在中间的金属就被迫保持极薄的形态，无法向其他方向生长。

用这种方法，团队成功制备出了铋、锡、铅、铟和镓五种二维金属。这些金属薄膜的厚度只有A4纸的百万分之一，只有人类头发直径的二十万分之一，达到了埃米级（1埃米等于0.1纳米）的极限厚度。更重要的是，这些二维金属被上下两层二硫化钼封装保护，在空气中非常稳定，研究团队测试了超过一年，性能都没有退化。

这项技术能带来什么

二维金属的应用前景非常广泛。张广宇在接受采访时说，这种材料可以推动人类文明进入下一个阶段。这话听着有点大，但仔细想想还真不夸张。

首先是芯片领域。现在的硅基芯片已经快到物理极限了，晶体管尺寸再缩小下去，量子隧穿效应就会让它失效。二维金属可以做出超微型低功耗晶体管，厚度极薄意味着可以把更多层电路堆叠在一起，大幅提高集成度。而且二维材料的电子迁移速率比硅快得多，芯片的运算速度也能跟着提升。

其次是透明显示器。金属导电性好但不透明，这一直是个矛盾。但二维金属因为极薄，可以在保持高导电性的同时实现透光。这对开发柔性透明电子设备意义重大，想象一下窗户玻璃也能当显示屏用，这种场景可能很快就会实现。

再就是催化领域。二维金属的表面积极大，而且所有原子都暴露在表面上，这让它成为理想的催化剂材料。在化工生产、燃料电池、环境治理等方面都有巨大应用潜力。现在工业催化用的贵金属催化剂动辄几万块钱一克，如果能用二维结构把利用率提高几十倍，成本就能大幅降低。

还有高频器件和超灵敏检测。二维金属在太赫滋波段可能有独特的响应特性，这对6G通信技术很重要。而它的超薄特性让电学和光学性能对外界扰动极其敏感，可以做成高精度的传感器，在医疗诊断、环境监测等领域发挥做用。

中国二维材料研究的领先地位

这次入选《物理世界》十大突破并不是偶然。近年来中国在二维材料领域一直处于国际前沿。张广宇团队所在的中科院物理所和松山湖材料实验室，已经形成了从材料制备、性能表征到器件应用的完整研究链条。他们前期在石墨烯、二硫化钼等材料的高质量制备方面就积累了深厚的技术储备，这次的范德华挤压技术也是在这些基础上发展起来的。

《物理世界》是英国物理学会的旗舰刊物，它的年度十大突破榜单在物理学界被视为权威评价。入选标准非常严格：必须具有重要科学意义、拓展知识边界、理论与实验紧密结合，并且要引起全球物理学家的广泛关注。张广宇团队的成果凭借其颠覆性贡献、技术的普适性和广阔应用前景成功躋身榜单，标志着中国在二维材料原子制造领域已经占据国际领先地位。

值得一提的是，这项研究得到了科技部重点研发计划和国家自然科学基金的支持，体现了中国在基础研究领域的持续投入。从石墨烯发现到现在20年，二维材料家族已经枝繁叶茂，但金属成员一直缺位。现在这块拼图终于被中国科学家补上了，未来二维材料的应用空间将进一步打开。

当然，从实验室成果到产业应用还有很长的路要走。如何实现大面积、高质量、低成本的二维金属制备，如何与现有半导体工艺兼容，如何解决器件集成中的各种技术难题，这些都需要继续攻克。但有一点可以肯定：二维金属的大门已经打开，剩下的就看科学家和工程师们怎么把它变成改变世界的技术了。