研究人员对石墨进行了新的改造

几十年来，科学家们一直在探索二维材料改变世界的潜力。二维材料只有单层原子厚。在它们内部，像电子这样的亚原子粒子只能在二维中移动。这种简单的限制可以触发不寻常的电子行为，使材料具有“奇异”的特性，例如奇异形式的磁性、超导性和电子之间的其他集体行为——所有这些都可以在计算、通信、能源和其他领域发挥作用。

但研究人员普遍认为这些奇特的二维特性仅存在于单层片材或短堆叠中。这些材料的所谓“块状”版本——具有更复杂的 3D 原子结构——应该表现不同。

或者说他们是这么认为的。

在 7 月 19 日《自然》杂志上发表的一篇论文中，华盛顿大学研究人员领导的一个团队报告称，可以为石墨(2 号铅笔中发现的大块 3D 材料)赋予与石墨的 2D 对应物石墨烯类似的物理特性。这一突破不仅出人意料，而且该团队还相信其方法可用于测试类似类型的散装材料是否也能具有类似二维的特性。如果是这样，二维薄片将不再是科学家推动技术革命的唯一来源。块状 3D 材料也同样有用。

“多年来，将单层堆叠在单层上，或者将两层堆叠在两层上，一直是解锁二维材料新物理的焦点。在这些实验方法中，出现了许多有趣的特性，”资深作者、华盛顿大学物理学和材料科学与工程助理教授Matthew Yankowitz说。“但是如果你继续添加层数会发生什么?最终它必须停止，对吧?这就是直觉所暗示的。但在这种情况下，直觉是错误的。将 2D 属性混合到 3D 材料中是可能的。”

该团队还包括大阪大学和日本国家材料科学研究所的研究人员，他们采用了一种常用于探测和操纵二维材料特性的方法：以小扭转角度将二维片材堆叠在一起。Yankowitz 和他的同事将单层石墨烯放置在薄的块状石墨晶体顶部，然后在石墨和石墨烯之间引入约 1 度的扭转角。他们不仅在扭曲的界面上检测到了新颖且意想不到的电特性，而且还在块状石墨的深处检测到了新的和意想不到的电特性。

威斯康星大学清洁能源研究所和威斯康星大学纳米工程系统研究所的教员扬科维茨说，扭转角对于产生这些特性至关重要。二维片(如两片石墨烯)之间的扭转角会产生所谓的莫尔图案，它会改变电子等带电粒子的流动，并在材料中产生奇异的特性。

在威斯康星大学领导的石墨和石墨烯实验中，扭转角也引发了莫尔图案，并产生了令人惊讶的结果。尽管大块晶体顶部只有单片石墨烯被扭曲，但研究人员发现整个材料的电性能与典型石墨显着不同。当他们打开磁场时，石墨晶体深处的电子采用了与扭曲界面处的电子相似的不寻常特性。本质上，单扭曲石墨烯-石墨界面与其余块状石墨不可避免地混合在一起。

“虽然我们只在石墨表面产生莫尔图案，但由此产生的特性却渗透到整个晶体中，”共同主要作者、威斯康星大学物理学博士后研究员达森·沃特斯(Dacen Waters)说。

对于 2D 板材，莫尔图案产生的特性可能对量子计算和其他应用有用。在 3D 材料中诱导类似的现象可以开启新的方法来研究不寻常和奇异的物质状态以及如何将它们带出实验室并进入我们的日常生活。

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