作者：陈佳君

相信许多人都听说过石墨烯，这是一种由碳原子组成、仅有一个原子厚的二维材料。自从石墨烯在2004年被发现以来，它凭借独特的性能引起了广泛关注。这也激发了科学家们对其他二维材料的探索。2024年4月16日，《自然·合成》杂志发表的一项新研究宣布，二维材料家族迎来了一位重量级新成员——金烯（goldene）。这是研究人员首次成功地制造出了只有一个原子层厚的二维金薄片。

为什么制造像金烯这样仅由金属构成的二维材料这么难呢？这是因为金属原子倾向于聚集成团，形成三维的纳米颗粒，而不是形成稳定的二维单原子层。这一特性给科学家们带来了极大的挑战，特别是在金这种贵金属上实验时，控制其原子排列变得更加困难。

研究团队从一种名为碳化钛硅（Ti₃SiC₂）的导电陶瓷材料入手。这种材料有着良好的导电性和层状结构，它包含了一层硅，夹在碳化钛片之间。当研究人员在这种材料表面覆盖一层金，并将其暴露于高温下进行加热时，出现了一个意想不到的现象：硅层被金原子替代，形成了一种全新的材料**——**碳化钛金（Ti₃AuC₂）。这种现象被称为插层（intercalation）。

图：碳化钛硅（Ti₃SiC₂）中的硅被金所取代，形成碳化钛金（Ti₃AuC₂）。

虽然几年来研究人员尝试过从碳化钛金中剥离出金层，但一直未能成功。一次偶然的机会，研究人员注意到了一种在日本锻造艺术中使用了一百多年的方法。这种方法利用一种名为村上试剂（Murakami's reagent）的化学制剂，能够刻蚀残余的碳，并在刀具制造过程中改变钢材的颜色。

这启发了研究人员，或许可以利用这种试剂刻蚀碳化钛金中的Ti₃C₂层。为了获得最优的效果，研究人员修改了村上试剂的配方。他们尝试了有着不同浓度的村上试剂，以及从一天到数月不等的刻蚀时长。他们注意到，浓度越低、刻蚀过程越长，最终效果就越好。

但还有一个挑战，在刻蚀过程中，暴露于光线会产生氰化物，而氰化物会溶解金。因此，整个过程必须在黑暗中进行，以保护金层。

一旦金薄片被分离出来，研究人员就需要解决如何维持二维金薄片稳定性的问题。在实验中，研究人员观察到刻蚀生成的二维金薄片容易发生卷曲和团聚。为了解决这一问题，他们加入了一种表面活性剂，它可以在金烯的表面形成保护层，防止薄片相互粘连，从而保持其平整和稳定。

最终，研究人员证实了他们成功地制造出了稳定的、只有单原子厚的二维金薄层——金烯。

金烯的发现不仅为二维材料的家族增添了一位重量级的新成员，还为科学家们探索由贵金属构成的二维材料开辟了新的道路。与传统的金纳米颗粒相比，金烯的独特之处在于，每个金原子仅有6个相邻原子，而非三维晶体中的12个。这种独特的性质让研究人员对它的未来应用充满期待。无论是在二氧化碳转化、产氢催化，还是在水净化和先进通信技术中，这种单原子厚的金薄片都可能成为变革的核心材料。

需要特别注意的是，村上试剂在蚀刻过程中可能会引入铁杂质，从而影响金烯的纯度和催化性能。因此，研究人员正致力于优化金烯的合成工艺，以提升其稳定性和生产效率。此外，如何在大规模生产中保持金烯的高质量和一致性，也是未来应用中需要克服的难题。

从最初的石墨烯到如今的金烯，二维材料的研究让我们看到了如何通过改变材料的原子排列结构，释放出前所未有的新性能。金烯的成功制备不仅揭示了一种崭新的材料形态，也预示着更多二维贵金属材料的诞生。随着科学家不断探索新的制备方法和应用场景，金烯及其衍生的材料有望在环保技术、清洁能源、精密医学等多个领域实现突破，推动我们迈向更加可持续和高效的未来。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.172502

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者名称： 陈佳君

审核： 穆云松 中国人民大学化学与生命资源学院环境科学与工程系主任

出品：中国科协科普部

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