首次制造出只有单个原子厚的金！
首次制造出只有单个原子厚的金！
瑞典林雪平大学的研究团队在《自然·合成》杂志上发表了一项突破性研究，他们成功制造出了只有单个原子厚的二维金薄片，这种新材料被称为"金烯"（goldene）。这一发现不仅在材料科学领域具有重要价值，还可能为未来的科技应用开辟新的可能性。
石墨烯是一种由碳原子构成的二维超薄材料，具有许多特殊而奇异的属性。石墨烯的发现引发了科学家对其他二维材料的极大兴趣。然而，要合成仅由金属构成的二维材料却非常棘手。
金（Au）是一种我们熟悉的金属。科学家已经知道，金纳米颗粒在电子、催化、光子学、传感和生物医学等领域，都具有广泛应用前景。将金制作成只有单原子厚的二维金薄片，是许多科学家的热情所在，因为它们有望提供不同寻常的等离体子和电子特性。
在一项新发表于《自然·合成》杂志的研究中，瑞典林雪平大学的一组科学家利用一种简便而巧妙的方法，首次成功地制造出了只有一个原子层厚的二维金薄片。研究人员将这种材料称为"金烯"（goldene）。
事实上，在过去的一些研究中，科学家就已经通过气相沉积实现了单晶金属薄膜的外延生长。然而，这种方法对金原子并不适用，因为它们会在沉积过程中倾向于聚集在一起，形成岛。在最好的情况下，科学家能得到纳米级厚度的连续金层，但尚未实现在大尺度上获得独立的、单原子厚的二维金层结构。
在新的研究中，物理学教授Lars Hultman与他的同事通过一种名为碳化钛金（Ti₃AuC₂）的三维材料，成功地创造出了只有原子厚的二维金薄片。他们的实验是从一种名为碳化钛硅（Ti₃SiC₂）的导电陶瓷开始的。在这种材料中，硅原子呈薄层。然后，他们在碳化钛硅的表面覆盖了一层金。当他们将涂了金的碳化钛硅暴露在高温下时，意外地发现，碳化钛硅中的硅层被金所取代了。这种现象被称为插层，而新形成的结构就是碳化钛金。
碳化钛硅（Ti₃SiC₂）中的硅被金所取代，形成碳化钛金（Ti₃AuC₂）。（图/Kashiwaya et al. / Nature Synthesis）
一直以来，Hultman与他的团队就想要从碳化钛金中剥离出金层，但一直难以实现。一次偶然的机会，Hultman注意到了一种在日本锻造艺术中使用了一百多年的方法。在这种方法中，一种名为"村上试剂"（Murakami's reagent）的化学制剂可以刻蚀掉残碳，改变钢材在刀的制造过程中的颜色。
这使他意识到，或许可以用这种试剂来刻蚀碳化钛金中的Ti₃C₂部分。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。
但是，只有村上试剂还不够。研究人员强调，刻蚀过程必须在黑暗中进行。因为村上试剂中的氰化物会在光线照射下与金发生反应，使金溶解。
最后一步是要维持二维金薄片的稳定性。在实验中，研究人员观察到刻蚀生成的二维金薄片在其未被刻蚀的边缘附近出现卷曲和团聚现象。通过加入表面活性剂，这种现象得到了缓解。
Goldene（金烯）：二维金原子层。（图/Kashiwaya et al. / Nature Synthesis）
最终，利用电子显微镜，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——goldene。
Goldene将具有许多新的、独特的特性，这些特性都源自于金在二维结构中有两个自由键。这种二维性质不仅有助于增强催化性能，还可以丰富各种应用的设计。未来，科学家或许能够这种材料应用于二氧化碳转化、产氢催化、增值化学品的选择性生产、制氢、水净化、通信等等。
此外，在现有的应用中使用这种二维金材料，将可以大大减少金的使用量。接下来，研究人员计划是否有可能对其他贵金属进行相同的处理，从而获得更大的应用潜能。
参考来源：
https://www.nature.com/articles/s44160-024-00518-4
https://liu.se/en/news-item/ett-atomlager-guld-liu-forskare-skapar-gulden
图片来源：
封面图&首图：Katie Harp / Unsplash