华盛顿大学的一项突破性研究表明，一种三维材料——石墨，可以通过操纵其具有二维对应物石墨烯的特性。这为其他体积材料表现出类似二维特性的潜在改造铺平了道路，可能拓宽了技术创新的边界。

探索二维材料的潜力

多年来，科学家一直探索二维材料的潜力，这些材料由单层原子组成，可以在计算、通信和能源等不同领域引起革命性变革。在这些材料中，例如电子这样的亚原子粒子只能在二维空间中移动，导致产生异常的电子行为和所谓的“奇特”特性。这些特性包括奇特的磁性形态、超导性和电子之间的其他集体行为，所有这些特性在计算、通信、能源和其他领域可能都有用。

传统上，研究人员认为这些奇特的二维特性只存在于单层薄片或短堆积中，而所谓的“体积”版本的这些材料由于其复杂的三维原子结构而展现出不同的行为。

然而，华盛顿大学的一支领导团队于7月19日在《自然》杂志上发表的一项开创性研究表明，可以赋予石墨这样一种常见的、体积的三维材料以类似于其二维对应物石墨烯的特性。这一突破不仅出乎意料，该团队还认为这种方法可以用来测试类似类型的体积材料是否也可以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，体积的三维材料也可能同样有用。

“将单层层叠在单层上——或者将两层叠加在两层上——多年来一直是解锁2D材料中新物理的焦点。在这些实验方法中，许多有趣的特性就是在这里出现的，但是如果继续添加层, 直觉最终应该会停止。但在这种情况下，直觉是错误的。在3D材料中，可以混合2D特性。

探索三维材料中的新物理

研究团队改编了一种常见的操纵2D材料的方法。他们将二维薄片以小的扭曲角度叠放在一起。研究人员将一层石墨烯放在薄的体积石墨晶体上并在两者之间引入约1度的扭曲角度。他们发现，不仅在扭曲界面上，而且在体积石墨内部也出现了新颖且意想不到的电性能。

这种扭曲角度对生成这些特性至关重要。2D薄片之间的扭曲角度，例如两层石墨烯薄片，会产生所谓的莫尔纹样，从而改变电子等带电粒子的流动，并在材料中诱导出奇特的特性。

与石墨烯和石墨的实验结果以及未来的可能性

在对石墨和石墨烯进行的实验证明了这种扭曲角度引发了莫尔纹样，并产生了令人惊讶的结果。仅在石墨烯-石墨界面引入的扭曲改变了整个石墨材料的电性。当施加磁场时，深层的石墨晶体中的电子展现出与扭曲界面中类似的异常特性。基本上，单个扭曲的石墨烯-石墨界面与整个体积石墨材料紧密相连。

尽管只在石墨的表面生成了莫尔纹样，但产生的特性在整个晶体中波及开来。

对于二维薄片来说，莫尔纹样会产生对量子计算和其他应用有用的特性。在3D材料中引入类似的现象为研究非常规和奇特物态以及如何将它们从实验室搬到我们的日常生活中提供了新的方法。整个晶体都进入了这个二维状态。这是一种在大体积材料中影响电子行为的全新方式。”

Yankowitz团队相信，他们在石墨烯和体积石墨晶体之间产生扭曲角度的方法可以用于创建2D-3D混合材料的姐妹材料，包括二硫化钨和五碲化锆。这可能为使用单个2D界面重新设计常规体积材料的特性提供了一种新的方法。

这种方法可能成为在混合2D和3D特性材料中研究令人兴奋的新物理现象的丰富环境。