近日，物理所科研团队在三维世界造出二维金属材料， 这一科研进展受到了广泛关注，登上了各大网站的热搜。
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网友们除了震撼于科学的迅猛发展，也由该突破联想到“二向箔”“纳米飞刃”等科幻作品中的高端科技，还有人对“二维”的界定感到迷惑不解。
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许多人对“二维”的印象，约莫来自于《三体》中被二向箔打击后二维化的太阳系：“三维世界的一切跌入二维后都将死去，没有什么能够活在厚度为零的画中”。这样梦幻的奇景，真的能出现在现实中吗？在科学研究领域中，“二维”指的具体是什么？
抽象概念中的“二维”
在科幻中，大家感性上理解“厚度为零”的二维，其实更接近于数学或者几何学概念中的“二维”。
在数学和几何学中，二维空间指的是“仅包含两个独立方向的空间”。更易于理解来说，仅由长度和宽度（在几何学中为X轴和Y轴）两个要素构成，其厚度为零。
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从大家大一学习的《线性代数》出发，我们可以用另外一套语言来描述二维空间。“向量”，是指具有大小和方向的量，可以表示为一个箭头，也可以表示成一组有序的数字列表。两个数乘向量的和被称为这两个向量的线性组合，而两个向量的全部线性组合构成的向量集合称为它们“张成的空间”。平面是二维线性空间，因为平面上的任何一点都可以用两个线性无关向量的线性组合来表示。
物质世界中的“二维”
对于真实存在的物体，或者更精确一些，“材料”来说，“二维”并非指其完全没有厚度，而是在长、宽、高至少一个维度上的尺度达到纳米（一般认为小于100nm为二维）级别。
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小编听说这次发表二维金属成果的课题组就是纳米组噢
若是从材料中电子运动的角度考虑，维度描述的是材料中电子能在几个方向自由运动。若电子仅能在两个方向上自由运动（平面内），则称其为二维材料。
更简单讲，由单原子层或几个原子层构成的材料就属于二维材料 。
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许多不同的二维材料
讲到这里，大家可能会在评论区提问：小编小编，二维材料的定义这么不严谨吗？单层或者好几层原子都能算？那要怎么判断一个材料属不属于二维材料呢？
事实上，二维材料作为一个单独的名词和科研领域，定义的重心并不只在组成意义上的“厚度、层数”，更重要的是这些极薄的仅少数原子层的材料具有区别于块体材料的性质。
（就如同我们看纳米飞刃，不仅着眼于其肉眼不可见的纤细，更看重其极高的强度）
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一些典型的二维材料的晶体结构和性质
正因为二维材料展现出了块体材料没有，或是与 块体 材料相异的神奇特性，它们才被单独制备和研究。
导致二维材料和体材料差异的原因有很多，最常见的包括以下几个：
1
二维材料的能带结构可能与块体材料不同，从而使二维材料具有块体材料不具备的性质。（能带理论是讨论晶体中电子运动行为的模型。通过能带之间的能隙，我们能判断晶体的导电性质，区分出导体、半导体和绝缘体。）
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半导体、绝缘体和导体的能带结构示意图
2
二维材料对外界的调控更敏感，可以通过调控达到体材料无法到达的状态。这是因为二维材料原子都在表面，没有被藏起来，体系的复杂度降低了。
3
二维的体系中也蕴含着三维体系所没有的物理。当电子仅在二维平面中运动时，电子在垂直方向不再表现出自由电子的运动形式，其连续的能谱将量子化为分立的能级。在一些特殊的外部条件下，二维体系中会出现量子霍尔效应（低温强磁场下，二维电子系统的霍尔电导出现量子化平台）。
这些新奇的差异，很好地在几个经典的二维材料中表现出来了。
石墨烯/Graphene
二维材料领域的蓬勃发展，始于2004年英国曼彻斯特大学Geim团队首次通过胶带剥离出仅有一层碳原子的石墨烯。
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石墨烯晶格结构、首次分离出的石墨烯光学显微镜照片和其边缘的原子力显微镜图像
石墨烯具有六边形的蜂窝状结构，与其体材料石墨拥有完全相同的化学组分，但它们在电学、光学、力学等性质上都有差异。石墨烯的电子迁移率（电子在单位电场的迁移速度）非常高，还是已知强度最高的材料之一，并且近乎透明；但石墨由于层层堆叠的结构，它在沿着层和垂直层的方向导电能力不同，它质地很软，还常被用作润滑剂，并且不透明。最后，从能带模型看，石墨烯、多层石墨烯和石墨的能带互不相同，这使得他们各自都有独特的物理性质。
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单层石墨烯的能带结构
石墨烯是研究量子霍尔效应的良好平台。在石墨烯中，发现了理论预言的狄拉克费米子、整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应等。
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石墨烯的量子霍尔效应
这些都说明了石墨烯作为二维材料，所展现出的不同于其块体材料的独特性质。
单层二硫化钼/MoS2
二硫化钼隶属于过渡金属硫属化物（TMDs，小编真的没在骂人），是过渡金属硫属化物中研究最为广泛的一种半导体材料。
单层二硫化钼是两个硫原子层夹一个钼原子的“三明治”结构，硫原子与钼原子通过共价键相结合；块体二硫化钼则是单层二硫化钼层与层之间通过范德华力结合的。
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二硫化钼单层和块体的晶格结构
二硫化钼单层与其块体材料在性质上也有差异。二维材料的电子迁移率大、开关比高、机械强度和柔韧性好，反之体材料的电学性质和力学性质都较差。
他们最突出的差异，当属单层硫化钼与体材料的能带结构。当块体的二硫化钼逐渐减薄时，其能带结构逐渐发生变化，在单层时其能隙从间接能隙突变为直接能隙（导带底和价带顶对齐），这直接改变了单层二硫化钼的光学特性。
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二硫化钼体材料、四层、双层和单层的能带结构
体材料二硫化钼一直作为润滑剂使用，而单层二硫化钼在半导体器件的发展中展现出了巨大的潜力，有望成为突破晶体管微缩瓶颈的候补材料之一。二维金属的突破，正是以单层二硫化钼作为封装实现的。
人们能发现二维材料中的奇特性质，其理论基础多是研究“介观物理”而来。“介观”是介于“微观”（原子、分子）和“宏观”（块体材料）之间的物理体系。
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在介观这一物理尺度下，既要考虑与微观体系类似的量子性质和原子尺度理论，也要考虑在宏观体系中大量的原子整体的涨落。
物理学的研究中，一直存在两种方法论用于认识物质世界的运动规律：还原论和衍生论。还原论指的是搞清楚体系中其中基本单元的运动规律就可以知道整个体系的规律；衍生论则认为随着体系中基本单元的增加，体系越来越复杂，在一系列不同复杂度的体系中都需要建立专门的理论描述体系的运动规律，其中典型的代表学者是诺贝尔物理学奖得主菲利普·安德森，他指出“More is different”，即强调不同复杂度的体系中有不同的规律。
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二维材料不是自然生成的，是人造的，相对体材料，它们的复杂度更低，更好调控。而且二维材料还可以通过不同的手段像搭积木一样堆叠出新的复合结构，调制出不同的性质用于基础理论的研究。
金属材料伴随了几乎整个人类文明，研究和应用深入而广泛，但二维金属的研究则相对非常“原始”，其中第一个也是最大的挑战就是二维金属的获得，因而金属的二维化极度重要。
二维金属？怎么做到的？
如上文所言，早在2004年单层石墨烯就通过撕胶带“撕”出来了，那为什么单层金属的研究却晚得多呢？答案是金属和石墨烯的结构不同。
形象地来说，石墨烯就像是一叠培根，一层一层相互叠在一起，所以将单层石墨烯分离只需要揭起其中一层就行。
金属却不具有这种层状结构，它更像一块坚硬的黄油，从中撕出一个薄层极其困难。
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左：石墨烯培根，右：金属黄油
用科学语言来描述，对于石墨烯而言，石墨烯层之间的相互作用是范德华相互作用，石墨烯层内的碳原子之间则是通过共价键结合的。共价键的强度远强于范德华相互作用（层剥离时范德华相互作用首先被破坏，共价结合保持），因此可以直接从石墨块体剥离得到单层石墨烯。而金属并没有这样的层状性质，一个金属原子四面八方都被其他金属原子紧密结合，不存在哪个方向结合更弱的情况，难以机械剥离。
那最近这篇工作是如何实现“单层黄油”的呢？
再次形象地来说，假设金属是一块黄油，作者使用二硫化钼作为面包来裹住黄油，把黄油夹进两块面包之间，再放进电饼铛中，两面加热使黄油融化、加压让黄油变薄，这样就能得到一个黄油夹心三明治了！而黄油夹心此时已经被挤压成单层的了。
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谢邀，给小编写饿了
这样，大家是不是能看懂下面的制备流程了？
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这就是团队独创的原子级制造的范德华挤压技术。其通过将金属熔化并利用团队前期制备的高质量单层二硫化钼范德华压砧挤压，实现了埃米极限厚度下各种二维金属的普适制备，包括铋 (Bi, 6.3 Å)、锡 (Sn, 5.8 Å)、铅 (Pb, 7.5 Å)、铟 (In, 8.4 Å) 和镓 (Ga, 9.2 Å)。同时团队仔细研究了二维铋金属的结构和性质，它展现出优良的应用潜力。
物理所的科研团队通过这种方式制备了大面积、大气环境稳定的单层二维金属，为探索金属在单层状态下的新奇物性提供了基础。国际审稿人一致给予该工作极高评价：“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”！
更详细的科研进展，请点击查看~
未来科学家们会从中发现什么，让我们拭目以待吧！说不定，这一步是迈向更有趣的科技的关键一步呢……？
感谢 二十三 师兄对本文的指导！
参考文献
[1] Geim, A., Grigorieva, I. Van der Waals heterostructures. Nature 499, 419–425 (2013).
[2] https://www.zhihu.com/question/26428553
[3] 於逸骏,张远波.从二维材料到范德瓦尔斯异质结[J].物理,2017,46(04):205-213.
[4] Novoselov, K., Geim, A., Morozov, S. et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature 438, 197–200 (2005).
[5] 李璐,张养坤,时东霞,等.单层二硫化钼的制备及在器件应用方面的研究[J].物理学报,2022,71(10):67-92.
[6] P. W. Anderson, More Is Different.Science177,393-396(1972).
[7] Zhao, J., Li, L., Li, P. et al. Realization of 2D metals at the ångström thickness limit. Nature 639, 354–359 (2025).
编辑：花卷
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