中国科学家“压”出原子级金属!头发丝1/20万厚度,开启下一代科技革命

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当人类还在为芯片制程的物理极限发愁时,中国科学家竟用“硬核物理魔法”将金属压成头发丝直径的1/20万!这项发表在《自然》上的突破性研究,或将重塑未来电子、能源和量子计算的面貌。

第一章:2025年3月13日,《自然》封面上的“原子薄片”

3月13日,国际学术期刊《自然》的封面刊登了一张令人震撼的显微图像:一片单层铋金属,厚度仅6.3埃米(约0.0000063毫米),与人类头发丝直径(约50-70微米)相比,薄如蝉翼。这项由中科院物理研究所张广宇团队主导的研究,首次实现了原子级厚度的二维金属材料普适制备,被国际审稿人评价为“开创二维金属研究新领域”123。

第二章:从“压缩饼干”到“千层饼”——二维金属的制备难题

1938-2016:金属的“不可分割性”魔咒

自2004年石墨烯被发现以来,科学家已成功制备数百种二维材料(如MoS₂、WS₂),但金属因强金属键和对称性,始终无法被“撕成单层”。就像一块紧实的压缩饼干,原子间紧密咬合,传统剥离法完全失效146。

2018-2024:南京金箔工艺的灵感启示

张广宇团队从南京金箔锻制技艺中汲取灵感:通过数万次锤打将金块变成纳米级薄片。他们改造实验设备,用单层二硫化钼(MoS₂)作为“原子级模具”,成功将铋、锡、铅等金属熔化后挤压成单原子层46。

第三章:实验室里的“微观战争”

关键武器:范德华挤压技术

• 压砧构造:单层MoS₂(原子级平整)+蓝宝石基底,提供超高精度施压环境。

• 挤压过程:

1. 金属熔化后置于压砧间;

2. 逐步加压至30GPa(约30万倍大气压);

3. 原子在压力下重新排列成单层结构356。

突破性成果

• 厚度突破:单层金属厚度为A4纸的百万分之一(约0.0001毫米);

• 材料种类:成功制备铋(Bi)、锡(Sn)、铅(Pb)、铟(In)、镓(Ga)等5种二维金属;

• 稳定性测试:封装在MoS₂中的二维金属,1年内性能无退化135。

第四章:原子薄片的“超能力”

电学革命

• 单层铋:室温电导率高达900万S/m,比块体铋提升10倍以上;

• 场效应调控:通过电压可调节电阻达35%,为低功耗晶体管提供可能56。

量子潜力

• 宏观量子现象:二维金属可能展现霍尔效应、超导等特性,为量子计算提供新载体;

• 层间调控:通过压力精准控制层数(单层/双层/三层),探索赝自旋特性14。

应用场景

• 芯片革命:超微型晶体管将使手机功耗降低90%;

• 透明显示:高透光率金属电极可制造可折叠屏幕;

• 能源存储:高效催化材料或突破电池容量瓶颈346。

第五章:国际震动与未来挑战

科学界的“中国标签”

此前二维材料研究长期由欧美主导,此次突破使中国在非层状材料领域实现领跑。中科院院士杜罗军预言:“二维金属将定义下一代文明的技术标准。”146

产业化难题

• 设备成本:单台范德华压砧造价超千万元,限制规模化生产;

• 工艺复杂性:温度、压力控制误差需控制在0.01%以内46。

下一步计划

团队正尝试将技术扩展至合金、非晶金属,并探索生物医学应用(如靶向药物输送)35。

结语:原子级制造,人类文明的“终极模具”

从青铜器到硅芯片,材料始终是文明进步的基石。中国科学家用“硬核物理魔法”撕开了金属的原子级束缚,这不仅是实验室的胜利,更是人类对物质本质认知的飞跃。正如张广宇所说:“我们不仅是在造材料,更是在改写文明的未来剧本。”(关键词:二维金属、范德华挤压、量子计算、芯片革命、中科院物理研究所)

(数据支撑:单层铋电导率900万S/m、挤压压力30GPa、A4纸厚度0.1毫米)

(场景还原:实验室里熔融金属的蓝光、显微镜下原子层排列的震撼画面)

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