中国的“0到1”突破：二维金属

2025年，中国科学家在基础科学前沿实现了一项具有全球影响力的原创性突破——成功制备出大面积、环境稳定的单原子层二维金属。这项由中国科学院物理研究所张广宇团队主导的研究，不仅被国际顶级期刊《自然》（Nature）发表，更入选英国《物理世界》“2025年度十大科学突破”，成为本年度唯一入选的中国成果。它标志着人类首次将传统意义上“不可能二维化”的金属元素，真正带入了二维材料家族，是一次典型的“从0到1”的原始创新。

所谓“二维金属”，是指厚度仅为单个原子层（约0.3–0.9纳米）的纯金属单质，如铋（Bi）、锡（Sn）、铅（Pb）等。

其厚度仅为：

一根头发丝直径的二十万分之一；

一张A4纸厚度的百万分之一。

若将一块边长3米的金属立方体压成单原子层，可覆盖整个北京市。这种极致薄度使电子仅能在二维平面内自由运动，从而展现出与块体金属截然不同的量子限域效应、超高电导率和非线性霍尔响应等新奇物性。

在此之前，二维材料仅有三类：

层状半导体（如MoS₂）

​半金属（如石墨烯）

绝缘体（如h-BN）

纯金属单质的二维形式从未存在过。

现在，人类拥有了第四个基本类别：二维金属（2D metals）。

长久以来，二维材料的研究主要局限于石墨烯、二硫化钼等层状化合物。这些材料如同“千层饼”，层与层之间靠微弱的范德华力结合，可通过胶带剥离等方式获得单层。然而，占元素周期表约80%的金属元素却完全不同——它们结构致密、金属键强且各向同性，如同“压缩饼干”，无法通过机械剥离获得单层。更关键的是，即使强行制得超薄金属膜，也会因极高的表面能而迅速团聚或氧化，在空气中几乎无法稳定存在。因此，科学界长期认为：稳定的二维金属单质是一个“不可能完成的任务”。

近百年来，科学界普遍认为稳定的二维金属无法存在，原因有三：

结构障碍：金属原子通过强各向同性的金属键结合，如同“压缩饼干”，无法像石墨（“千层饼”）那样通过机械剥离获得单层。

热力学不稳：单原子层金属表面能极高，极易团聚或氧化，寿命极短。

技术瓶颈：传统薄膜生长方法（如分子束外延）难以控制原子级厚度，且无法避免与衬底成键，掩盖本征性质。

因此，尽管自2004年石墨烯问世以来，全球已发现数百种二维材料，但无一属于金属单质——二维金属成为该领域长期存在的“最后一块拼图”。

面对这一世界级难题，中国科研团队没有沿用传统思路，而是另辟蹊径，首创“原子制造的范德华挤压技术”。他们利用自主研制的原子级平整单层二硫化钼作为“压砧”，将微量熔融金属置于两片这样的“原子铁钳”之间，在精确控制温度与压力的条件下，将其挤压成仅一个原子厚的薄膜。随后，该金属层被原位封装在上下两层二硫化钼之间，形成类似“三明治”的异质结构。这一设计既隔绝了外界环境，又避免了强化学键合对金属电子结构的干扰，从而实现了超过一年的空气稳定性和厘米级的大面积连续制备。

张广宇团队历时八年攻关，独创 “范德华挤压技术”（Van der Waals squeezing），彻底颠覆传统思路：

原子级“铁钳”：

使用自主研发的厘米级蓝宝石衬底，其上外延生长原子级平整的单层二硫化钼（MoS₂），作为无悬挂键的柔性模具。

高温液态挤压：

将微量金属加热至熔融态，在精确控制的压力梯度下，将其暴力压展成完美单原子层。

原位三明治封装：

挤压完成后，二维金属被夹在两层MoS₂之间，形成范德华异质结，隔绝空气与水分，实现超一年的环境稳定性。

该方法已成功制备铋（6.3 Å）、锡（5.8 Å）、铅（7.5 Å）、铟、镓等五种二维金属，厚度精确可控（单层、双层或三层），面积达厘米级，具备器件集成潜力。

这一成果之所以是真正的“0到1”，在于它并非对现有技术的改良，而是从理论认知、制备方法到材料体系的全面开创。此前，全球没有任何团队能在常温常压下获得可操作、可集成的二维金属单质；如今，中国科学家不仅做到了，还验证了铋、锡、铅、铟、镓等多种金属的普适可行性。这意味着，人类首次拥有了系统探索“二维金属物理”的实验平台，并有望在此基础上发现高温量子霍尔效应、二维超导等新奇量子现象。

更重要的是，这项突破打开了一个前所未有的材料空间。理论上，元素周期表中绝大多数金属都可通过类似方法实现二维化，未来甚至可拓展至合金、非晶态等复杂体系，潜在新材料数量可达上万种。在应用层面，二维金属兼具超高电导率、原子级厚度和优异稳定性，为解决芯片互连瓶颈、开发柔性透明电极、构建低功耗全金属晶体管、实现超灵敏探测器等提供了全新可能。

从“不可能”到“中国造”，二维金属的诞生不仅填补了二维材料家族的关键空白，更彰显了中国在基础研究领域的原始创新能力。它不是在别人划定的赛道上追赶，而是亲手开辟了一条通往未来的新路。正如国际同行所评价：“这不仅是一项技术成就，更是一场材料科学的范式革命。” 在这场由中国人引领的二维金属新纪元中，下一个改变世界的器件，或许就诞生于一张比蝉翼薄百万倍的“金属纸”之上。