特拉维夫大学的研究人员开发了一种开创性的方法，能够将石墨转化为具有电子存储功能的材料。

通过操控原子层，它们或可引领计算和电子设备领域的革命，潜在价值可能超过钻石和黄金。

转化元素：从炼金术到先进材料

铜能变成金子吗？几个世纪以来，炼金术士一直怀揣着这个梦想，却未曾意识到这种转变需要核反应。另一方面，铅笔芯中的材料——石墨和金刚石的基本构成单元是相同的：都是碳原子。关键在于这些原子的排列方式不同。要把石墨变成金刚石，需要极高的温度和压力来打破并重建化学键，这使得这个过程不切实际。

据特拉维夫大学量子层状物质小组组长摩西·本·沙龙 (Moshe Ben Shalom) 教授介绍，一种更易实现的转变涉及通过轻微移动石墨的原子层来重新配置它们。石墨中的各层并不像形成金刚石的强化学键那样紧密相连，而是通过较弱的范德华力结合在一起，因此各层之间可以相互滑动。本·沙龙教授与特拉维夫大学雷蒙德与贝弗利萨克勒物理与天文学院的博士生玛雅·维兹纳·斯特恩 (Maayan Vizner Stern) 和西蒙·萨利赫·阿特里 (Simon Salleh Atri) 在《自然·综述·物理》杂志近期发表的一项研究中探讨了这一想法。

使用多晶型材料进行创新

虽然这一过程并不会产生钻石，但它可能具有更高的技术价值。如果原子层转换可以快速高效地完成，那么就能开发出体积小巧、性能卓越的电子存储单元。这些经过全新设计的“多型”材料最终可能会比钻石和黄金更有价值。

博士生马扬·维兹纳·斯特恩解释说：“石墨如此，自然界中存在的其他许多材料也具有结合力较弱的层状结构。每一层都像乐高积木一样——单个积木很难被打破，但分离和重新连接两块积木却相对简单。同样，在层状材料中，各层更倾向于原子与相邻层原子完全对齐的特定堆叠位置。在这些位置之间滑动是以微小的、不连续的跳跃实现的——一次仅跳跃一个原子距离。”

幻灯电子学：材料科学的未来

博士生西蒙·萨利赫·阿特里（Simon Salleh Atri）介绍了他们的研究：“我们正在开发新方法，将这些层滑动到不同的排列位置，并研究由此产生的材料。通过施加电场或机械压力，我们可以将这些层转变为各种稳定的构型。由于这些层在撤去外力后仍能保持在最终位置，因此它们可以存储信息，充当一个微型存储单元。”

研究团队还探讨了不同层数对材料性能的影响。例如，由两种原子构成的材料在叠加三层后可以形成六种不同且稳定的材料，每种材料都具有独特的内部极化。当叠加五层时，这种组合可以增加到45种不同的可能结构。研究人员通过在这些配置之间切换，可以控制材料的电学、磁学和光学性能。即使是仅由碳组成的石墨，也可以重新排列成六种不同的晶体形式，每种晶体形式的电导率、红外响应、磁化和超导性能都各不相同。

主要挑战在于保持材料的稳定性，同时确保可控的结构转变。他们最近的观点论文总结了正在进行的研究，并提出改进这种“滑动电子学（Slidetronics）”开关机制的新方法，为电子学、计算学等领域的创新应用铺平道路。

随着研究的不断深入，这些滑动材料可能会带来技术上的革命，实现更快、更高效的内存存储，并对材料特性实现前所未有的控制。精确操控原子层的能力正为材料科学开启一个新时代的大门——在这个时代，最有价值的发现可能并非来自制造黄金，而是来自解锁日常元素的隐藏潜力。

参考文献：《滑移范德华多型体》，作者：玛雅·维兹纳·斯特恩、西蒙·萨利赫·阿特里和摩西·本·沙龙，发表于2024年11月21日，载于《自然-物理评论》。数字对象唯一标识符（DOI）：10.1038/s42254-024-00781-6