2004年石墨烯問(wèn)世，真實(shí)的單原子層二維材料第一次出現(xiàn)在人們的面前。石墨烯獨(dú)特的二維六角蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)和載流子的狄拉克費(fèi)米子行為帶來(lái)了種種奇妙的物理特性，給凝聚態(tài)物理的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域甚至器件應(yīng)用領(lǐng)域都帶來(lái)了巨大的沖擊。

所有的二維材料中，單元素二維材料由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于表征和調(diào)控，可以視為模型化的二維晶體系統(tǒng)，利于系統(tǒng)化的基礎(chǔ)研究探索。除碳元素以外，人們首先想到的最有可能擁有二維同素異形體的元素就是與碳同主族的硅、鍺等元素。2012年，人們成功制備出了單層硅烯，隨后鍺烯和錫烯也陸續(xù)在實(shí)驗(yàn)室中得以實(shí)現(xiàn)。

硼烯的首次出現(xiàn)

硼和氮作為碳元素的兩個(gè)最近鄰元素，在其單質(zhì)或化合物中尋找類石墨烯的二維材料，同樣是一條便捷且可靠的途徑。2014年，南開(kāi)大學(xué)物理學(xué)院周向鋒教授、王慧田教授和紐約州立大學(xué)石溪分校奧甘諾夫教授等基于進(jìn)化算法結(jié)合第一性原理計(jì)算，預(yù)測(cè)了一個(gè)獨(dú)特的二維硼結(jié)構(gòu)。該研究進(jìn)一步激發(fā)了實(shí)驗(yàn)學(xué)家挑戰(zhàn)合成硼烯的興趣。2015年12月，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)南開(kāi)大學(xué)、美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校和美國(guó)西北大學(xué)等研究單位合作，利用高真空原子濺射的方法，首次在銀的表面成功生長(zhǎng)出褶皺的單原子層硼烯。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型幾乎完全符合。南開(kāi)大學(xué)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了該研究的理論計(jì)算工作。

各種穩(wěn)定的單層硼烯薄膜的模型：(a)δ-type的硼膜；(b)χ-type的硼膜；(c)α-type的硼膜；(d)β-type的硼膜。其中白色方框表示一個(gè)原胞大小，紅色原子和黃色原子分別表示由于翹曲產(chǎn)生的朝上和朝下翹曲的原子

硼烯的制備

不同于存在于石墨中層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯，自然界中硼不以層狀材料存在。研究人員采用化學(xué)氣相沉積方法已經(jīng)制得了硼團(tuán)簇和納米管。但這些技術(shù)需要昂貴的設(shè)備，還需要使用昂貴的有機(jī)前軀體，比如乙硼烷。為了制得硼的單層片，研究人員在超高真空腔室內(nèi)加熱單晶銀襯底，以此來(lái)生長(zhǎng)硼烯。他們采用電子束蒸發(fā)技術(shù)從450℃至700℃的固體硼棒上蒸發(fā)出硼原子。硼原子自發(fā)的沉積在銀上面，形成2D片。

硼烯的性能

相比于石墨烯，硼烯的強(qiáng)度更高，柔韌性更好，密度更輕，也更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。除了是電和熱的良導(dǎo)體，硼烯還可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。而且，至少在原理上，硼烯的這些特性都是科學(xué)家們可以按需調(diào)控的。

硼烯的應(yīng)用

電池電極

由于硼元素比組成石墨的碳元素要輕，硼烯是目前已知最輕的二維材料。而且，硼烯有著很高的表面活性，也更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：這使得硼烯很適合用來(lái)在電池里儲(chǔ)存金屬離子。因此，對(duì)于鋰電池、鈉電池、鎂電池來(lái)說(shuō)，硼烯都是理想的電極材料，同等重量可以儲(chǔ)存多得多的電能。甚至于，對(duì)于有著極高能量密度的鋰硫電池，硼烯也有用武之地。

儲(chǔ)氫

未來(lái)新能源汽車的發(fā)展，有著兩大路徑——電動(dòng)汽車和氫能源汽車。電動(dòng)汽車的核心技術(shù)之一是高能量密度、功率密度和高安全性的電池，氫能源汽車則需要高效的儲(chǔ)氫技術(shù)。而硼烯，除了可以用于制造電池電極，也可以用來(lái)高效儲(chǔ)氫。

與金屬離子一樣，氫離子也很容易粘附在硼烯的單層原子結(jié)構(gòu)上。研究顯示，由于硼烯有著巨大的表面積，它可以儲(chǔ)存相當(dāng)于自身重量15%以上的氫，儲(chǔ)氫容量顯著優(yōu)于其他材料。

超級(jí)電容

超級(jí)電容是可以快速完成充放電，且循環(huán)壽命可達(dá)數(shù)十萬(wàn)次的儲(chǔ)電技術(shù)，功率密度是電池的5-10倍，被認(rèn)為是用于公交車、有軌電車等交通工具的理想儲(chǔ)能元件。研究發(fā)現(xiàn)，幾層硼烯是非常好的超級(jí)電容材料。在很高的能量密度下，硼烯制成的超級(jí)電容可以實(shí)現(xiàn)極高的循環(huán)穩(wěn)定性。

催化劑

硼烯還是最輕的析氫反應(yīng)催化劑。硼烯可以把氫氣分解成氫離子、把水分解成氫氣和氧氣、以及還原二氧化碳。對(duì)于光催化制氫等領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，催化劑是其中最重要的一環(huán)。有了好的催化劑，它們就可以把燃燒的產(chǎn)物變回燃料，實(shí)現(xiàn)能源經(jīng)濟(jì)的零碳循環(huán)。而硼烯，將有可能催生出一個(gè)水基能源循環(huán)的新時(shí)代。

傳感器

由于可以與許多物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，硼烯被認(rèn)為可以用于制造檢測(cè)乙醇、甲醛和氰化氫的傳感器。例如，當(dāng)乙醇（也就是酒精）被硼烯吸收時(shí)，通過(guò)硼烯的電流會(huì)馬上出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。硼烯對(duì)于一氧化碳、一氧化氮等有害氣體的吸收也要遠(yuǎn)大于石墨烯。

硼烯具有非常豐富的晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)。硼烯的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，有可能在大氣環(huán)境下存在，這有助于克服二維材料易被氧化而不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，在納米器件方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。硼烯較短的鍵長(zhǎng)也會(huì)使其具備較好的機(jī)械性能。對(duì)于硼烯的研究還剛剛開(kāi)始，隨著對(duì)其研究的逐漸深入，硼烯所具有的新奇的原子結(jié)構(gòu)和奇特的物理性質(zhì)將進(jìn)一步被人們所了解，為將來(lái)基于硼烯的應(yīng)用提供更多可能性。