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

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）