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  一個(gè)困擾世界凝聚態(tài)物理和材料物理界多年的難題近日被攻克。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)南開大學(xué)、紐約州立大學(xué)石溪分校、美國(guó)西北大學(xué)的科學(xué)家合作研究，首次獲得了只有單原子厚度的二維硼材料——“硼烯”。該材料因其優(yōu)越的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)屬性，被科學(xué)界寄予厚望，或?qū)⒊蔀槔^石墨烯之后又一種“神奇納米材料”。相關(guān)研究成果發(fā)表在18日出版的《科學(xué)》雜志上。《科學(xué)》、《自然》分別刊登評(píng)論文章進(jìn)行亮點(diǎn)報(bào)道。

石墨烯有了“兄弟”

  石墨烯是一種呈蜂巢狀排列的單層碳原子結(jié)構(gòu)，是目前已知的最薄、最堅(jiān)硬的納米材料。繼石墨烯之后，科學(xué)家希望找到更多具有優(yōu)良特性的二維材料。元素硼因是碳的“近鄰”而成為首要目標(biāo)。然而，被稱為石墨烯“兄弟”的硼烯并非自然存在，只能人工合成。科學(xué)家對(duì)硼烯的理論結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)已逾10年之久，但從未成功合成。即便有個(gè)別的薄膜等樣品，其結(jié)構(gòu)也是異常復(fù)雜。因此，硼烯的制備成為國(guó)際凝聚態(tài)物理及材料物理界公認(rèn)的世界難題。

硼烯結(jié)構(gòu)示意圖

  2014年，南開大學(xué)物理學(xué)院周向鋒教授、王慧田教授和紐約州立大學(xué)石溪分校奧甘諾夫教授等基于進(jìn)化算法結(jié)合第一性原理計(jì)算，預(yù)測(cè)了一個(gè)獨(dú)特的二維硼結(jié)構(gòu)。該研究進(jìn)一步激發(fā)了實(shí)驗(yàn)學(xué)家挑戰(zhàn)合成硼烯的興趣。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、南開大學(xué)、紐約州立大學(xué)石溪分校和美國(guó)西北大學(xué)等研究單位合作，利用高真空原子濺射的方法，首次在銀的表面成功生長(zhǎng)出褶皺的單原子層硼烯。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型幾乎完全符合。南開大學(xué)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了該研究的理論計(jì)算工作。

強(qiáng)度比石墨烯高

  此次獲得的硼烯材料具有優(yōu)越的各向異性的電導(dǎo)性質(zhì)和罕見(jiàn)的“負(fù)泊松比”現(xiàn)象。所謂“各向異性電導(dǎo)”是指由于硼烯的原子排列結(jié)構(gòu)使得其表面呈現(xiàn)出“褶皺”，而這樣的結(jié)構(gòu)決定了硼烯導(dǎo)電屬性具有方向性。而水平拉伸導(dǎo)致垂直方向膨脹的“負(fù)泊松比”現(xiàn)象也令硼烯的應(yīng)用更加多樣化。

  眾所周知，石墨烯是目前世界上最硬的二維材料。該研究顯示二維硼在某個(gè)方向上比石墨烯的強(qiáng)度還要高。如此優(yōu)越的力學(xué)性質(zhì)，加上特殊的電學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)，硼烯的應(yīng)用前景將十分寬廣。

  “不同襯底材料、不同溫度、不同厚度等條件下生長(zhǎng)出來(lái)的硼烯也會(huì)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)的多樣性，從而決定了其功能的多樣性。我們的工作拉開了合成這個(gè)新材料的序幕，相信不久的將來(lái)會(huì)有更多特別性質(zhì)的硼烯出現(xiàn)。”周向峰說(shuō)。