二維金屬“紙”入選《物理世界》2025年度“十大科學突破”

英國《物理世界》（Physics World）12月12日正式公布2025年度“十大科學突破”榜單，中國科學院物理研究所張廣宇團隊“首創二維金屬 ‘紙’”入選，同時入選的還包括小行星生命起源線索、分子超流現象等國際重大科學突破。這是本年度唯一入選的中國科學研究成果。

2004年石墨烯的發現開啟了二維材料新紀元。自此，全球科學家已制備出數百種二維材料，理論預測更是接近2000種，但這些材料均局限于層狀體系——類似 “千層餅”的結構通過弱范德華力結合，可通過機械剝離等方式獲得單層。而占元素周期表約80%的金屬，因具有非層狀結構、強金屬鍵及高對稱性，如同 “壓縮餅干” 般不可能通過機械剝離方式進行拆分。因此，科學界一直認為獲得原子級薄的二維金屬“紙”是“不可能完成的任務”。

能否制備出具有奇異特性的二維金屬成為一項世界性難題。為攻克這一難題，張廣宇團隊歷時多年攻關，首創“原子制造的范德華擠壓技術”，利用團隊自主研發的原子級平整單層二硫化鉬作為“范德華壓砧”，實現了埃米級極限厚度下二維金屬的普適制備，成功獲得鉍（6.3?）、錫（5.8?）、鉛（7.5?）、銦（8.4?）和鎵（9.2?）五種二維金屬。這些材料的厚度僅為頭發絲直徑的二十萬分之一、A4紙厚度的百萬分之一。這種二維金屬“紙”，不但實現了人們在科學上挑戰極限的夢想，也極大地豐富了現有材料家族。

初步研究結果揭示，二維金屬具有多方面優異特性：制備的二維金屬具有超1年無性能退化的環境穩定性，且擁有非成鍵界面，為探索材料本征特性奠定基礎；電學測試表明，單層鉍的室溫電導率達9.0×10?S/m，較塊體鉍提升一個數量級以上，還展現出獨特的P型電場效應，電阻可通過柵壓調控35%（超塊體金屬<1%）；二維金屬的厚度可以在原子精度下可控（單層、雙層或三層等），為研究新奇層量子限域效應提供了全新平臺。

“這一突破不僅填補了二維材料家族的關鍵拼圖，更開辟了全新研究領域?！?該成果論文共同通訊作者杜羅軍指出，二維金屬有望衍生出量子霍爾效應、二維超導等宏觀量子現象，為低功耗晶體管、高頻器件、超靈敏探測等技術革新提供核心材料。元素周期表有88種金屬元素，目前實現的5種僅僅只是“冰山一角”，加上二元及多元合金，未來尚有上萬種二維金屬材料待探索，為該領域科學研究和潛在的實際應用留下了廣闊空間。

該成果自2025年3月在《自然》發表以來，迅速引發全球學界與媒體高度關注。加州大學歐文分校教授Sanchez-Yamagishi在同期《自然》撰寫評論，盛贊其為“實現大面積真正二維金屬的令人印象深刻的壯舉”。央視綜合頻道“新聞聯播”在全國科技工作者日專題報道中，將其列為基礎前沿研究三大代表性原創成果之一，新聞頻道進行直播報道。《科學》《物理世界》《人民日報》等50余家國內外權威媒體亮點聚焦，總瀏覽量超千萬。

《物理世界》“十大科學突破”以學術權威性著稱，入選成果需滿足“科學意義重大、推動知識邊界、理論與實驗緊密結合、引發全球物理學家廣泛關注”四大核心標準。張廣宇團隊的成果憑借對材料科學的顛覆性貢獻、獨創技術的普適價值及廣闊應用前景，成功躋身榜單，標志著我國在二維金屬領域已占據國際領先地位，為該領域貼上“中國標簽”。

來源：中國科學院物理研究所

責任編輯：閆文藝