在经典科幻小说《三体》中，三体人通过将肉眼看不到的质子展开为二维平面，再蚀刻电路，便形成了一台超级计算机“智子”，成功锁死了人类科技的进步。这一设定虽然更多基于天马行空的幻想，但其中关于物质“二维展开”的思路引发了人们的无限想象。

　　近日，中国科学院物理研究所/松山湖材料实验室张广宇科研团队，成功研制出厚度仅为头发丝直径的二十万分之一的单原子层金属，这是国际上首次实现大面积二维金属材料的制备，开创了二维金属研究新领域。

　　成果于近期在国际学术期刊《自然》发表，国际审稿人一致给予高度评价，认为该工作“开创了二维金属这一重要研究领域”“代表二维材料研究领域的一个重大进展”。

　　01简单解法破解“不可能难题”

　　以重大创新引领技术变革

　　“比如一本厚厚的书，这本书是有长有宽有高的，但把其中的一页纸抽出来，这张纸我们肉眼看起来很薄，就可以近似的看成一个只有长宽、没有厚度二维的情况。”张广宇表示。

　　相比于三维材料，二维材料具有独特的物理性质，吸引了众多科学家的关注。

　　石墨烯是人类发现的第一种真正意义上的二维材料。2004年石墨烯被发现以来，科学家已制备出数百种二维材料，但大多为层状结构，而金属等非层状材料因原子间强金属键的束缚，无法像石墨烯材料一样轻易被撕成“千层饼”，这一差异使得金属的二维化一度被视为材料科学领域“不可能实现”的难题。

　　而张广宇研究员带领团队，在全球首次实现原子极限厚度二维金属的大面积普适制备，填补了二维材料家族中长期缺失的金属成员空白。

　　该团队创新性发展了原子级制造的范德华挤压技术，利用蓝宝石衬底上生长的单层二硫化钼作为“压砧”，将金属熔化后置于两片压砧之间，施加数百兆帕的高压，金属原子在极端压力下重构为单层结构，同时上下两层二硫化钼完全包裹二维金属，使其可在空气中稳定存在超1年。通过这一技术，团队成功制备出铋、锡、铅等5种二维金属，将边长3米的立方体金属块压成单原子层后，可铺满整个北京市。

　　“三维金属引领了人类文明的铜器、青铜和铁器时代，而原子极限厚度的二维金属，有望带来超微型低功耗晶体管、高频器件、透明显示、超灵敏探测、极致高效催化等众多领域的技术革新。”张广宇表示。

　　“现在再回头去看，实际上过程中走了非常多的弯路，问题解决的方式实际上简单到出乎意料。包括《自然》杂志编辑和相关领域专家也都十分惊讶，认为我们通过low-tech（传统手段）的实验方法克服了最难的技术点。”

　　实际上，同样作为二维材料的单层石墨烯，发现过程也具有类似的特性。

　　2010年诺贝尔奖获得者英国物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，为了获取单层石墨烯，也曾尝试了各种各样的方法，如机械抛光法等，但都未成功。最终他们通过胶带反复粘贴和撕开石墨片，才成功制备出了单层的石墨烯，因此有人戏称为“用胶带撕出来的诺贝尔物理学奖”。

　　在张广宇看来，朴实、简单、易于重复，恰恰是开展科研工作所追求的重要方向。

　　“二维金属材料的成功制备，推开了一扇新的宝库的大门。”张广宇表示，下一步团队将对更多的金属材料展开研究，深入了解发现更多的物理特性，也希望未来能够更多人参与进来，尽快探索弄清楚“宝库”的秘密。

　　02十年磨一剑啃下“硬骨头”

　　二维材料产业将迎风口期

　　“二维金属是一个新的领域、新的赛道，过去这个赛道上只有我们一个团队。”张广宇表示，团队对于二维金属材料的研究前后历时近10年，第一作者赵交交作为硕博连读的学生，从进实验室开始就主攻这一课题，花了7年时间，整个过程面临无数困难，甚至因为进展缓慢，中途一度想要放弃。而在他之前，张广宇已经有两届学生“倒在”了这条路上。

　　重大原创成果的取得，研究周期长、不确定性强，究竟是厚积薄发还是运气成分居多？张广宇认为，面对未知的领域，走弯路无可避免，更重要的还是坚持。“我们团队的风格就是即使遇到失败也不能停下，一定要把问题跨过去。”

　　二维材料团队的实验室近门处一个密闭操作柜内，透过观察窗可以看到两块金属板形成的一个材料压制平面，二维金属就是在这里最终成型。由于实验目标的特殊性，对台面的平整度提出了极端苛刻的要求，这一看似普通的台面，赵交交曾手工打磨近两个月的时间。

　　张广宇表示，团队为寻找合适的实验设备曾花费大量时间，尝试用几百万、上千万的设备来做，但出于节约成本、提升适用性的考虑，最终相当一部分设备由团队自己设计制作。除了材料、设备、技术等方面，同样重要的还有对基础物理知识的理解，或者说科研思路上的选择。

　　破题的契机，其实来自另一项工作的进展。以单层二硫化钼为代表的二维半导体具有极限物理厚度、原子级平整表面以及优异的电学性能。2020年左右，张广宇团队在单层二硫化钼晶圆制备上取得重要突破，为二维金属材料的创新制备提供了新的思路和工具。

　　“有了高质量、原子级平整的二硫化钼样品，才允许我们做这方面的尝试，之后才顺利实现了二维金属的制备。”张广宇表示。

　　二维材料种类繁多，例如半导体、绝缘体、超导、磁性拓扑等材料，近20年已经积累了很多重要进展，其中很多与产业技术密切相关。二维金属制备用到的二硫化钼，就是国际公认的下一代芯片技术核心构造材料。

　　在张广宇看来，下一个十年将是二维材料产业迎来快速发展的爆发期，而且很可能是原创基础研究、应用技术、产业化等多点爆发。“技术的孵化到真正的民生应用会不断加速，我对这个领域是抱有很大的希望。”

　　当前，松山湖科学城已布局中国散裂中子源、先进阿秒激光等大科学装置，以及松山湖材料实验室、香港城市大学（东莞）等一大批一流创新平台，坚持推进创新链与产业链相融合，形成了完善的创新生态体系，近年来涌现出一大批重大原始创新成果。

　　其中，松山湖材料实验室在增强原始创新能力、突破关键核心技术、强化协同创新、推动成果转化等方面持续发力，取得了突出成效。

　　张广宇表示，松山湖材料实验室在二维材料研究领域的重大进步，也得益于整个的大环境，国家对基础研究的重视、大力度的投入，对科研自由探索的支持等，同时大湾区和东莞松山湖科学城活跃的氛围和完善的产业链条，也都非常重要。

　　对于广东来说，他建议研究如何全链条打通，采用一些新的模式去推动二维材料的研究与产业化加快落地。特别是对于原始创新，相对来说链条与周期都比较长，需要有更好的生态支持，推动相关工作逐步向后推进。