神奇的二维材料，国家标准已经出炉?

自2010年石墨烯获得诺贝尔物理学奖以来，科学家和产业界对石墨烯就开始狂热的追逐。和石墨的不同之处在于：石墨烯仅有一个碳原子层厚度，并表现出超优异的力学、电学等性能。在追逐石墨烯的同时，一大批类石墨烯的二维材料也被相继发现，从元素周期表来看，组成这些二维材料元素主要包括：过渡金属、碳族元素、硫族元素以及其他。这些纳米厚度的二维材料和石墨烯一样，具有和体相材料截然不同的新性能.

图1. 各种二维材料及其结构

最近有一个大新闻：在2018年的最后一个工作日，由泰州巨纳新能源有限公司作为第一单位牵头起草的我国首个石墨烯国家标准GB/T 30544.13-2018： 《纳米科技 术语 第13部分：石墨烯及相关二维材料》正式发布了。然而，大家可能没意识到，这个标准也是二维材料领域的第一个国家标准。因为这个标准不仅定义了石墨烯，同时还定义了二维材料等重要术语，因此对整个新型二维材料产业的发展都具有非常重要的意义。

那么，什么是二维材料？

根据国家标准的定义，由一层或几层构成，其中每一层内的原子与所在层内的邻近原子紧密成键结合，有一个维度（即其厚度）处于纳米或更小尺度，其余两个维度通常处于更大尺度的材料，称为二维材料。

为了更好地方便大家理解这个定义，国家标准对此进行了详细地备注说明：

1：区分二维材料及体材料的临界层数与被测材料及其性质相关。对于石墨烯层的数量，从电学测试而言，当其厚度小于或等于10层时是二维材料，当其厚度大于10层时已与体材料，亦即石墨，无明显区别。

2：层间结合明显不同并弱于层内结合。

3：每层可包含多种元素。

4：二维材料可以是纳米片。

二维材料究竟有什么优异性能？

    单层二维材料的表面原子几乎完全裸露，相比于体相材料，原子利用率大大提高。通过厚度控制和元素掺杂，就可以更加容易地调控能带结构和电学特性，譬如硅烯(silicene)和磷烯(phosphorene)。二维材料可以是导体、半导体，也可以是绝缘体；可以是化学惰性，也可以随时进行表面化学修饰。概括起来，主要有以下3个优势：

1）更利于化学修饰，可以调控催化和电学性能。

2）更利于电子传递，有利于电子器件性能的提升。

3）柔性和透明度高，在可穿戴智能器件、柔性储能器件等领域前景诱人。

类石墨烯的五大二维材料家族

    Yury Gogotsi说：“一个50岁的科学家在实验室玩新玩具和一个5岁小孩在家里玩新玩具的乐趣没什么不一样，二维材料就是我的新玩具！”在石墨烯之外，贪玩的科学家发现了类石墨烯的五大二维材料家族，分别是：MXenes、Xenes、Organicmaterials、TMD（过渡金属二硫族化物）以及Nitrides（氮化物）。这些材料涉及学科跨度大、范畴广、种类多，一直以来呈现多点开花、新现象、新应用频出的创新态势。二维材料是当下最前沿的科研应用领域之一，涵盖了印刷电子、柔性电子、超级电容、太阳能电池、量子点、传感器、半导体制造等，具有十分优异的机械、热学、光学特性，是多领域实现颠覆式创新的基础。

图2. 二维材料的五大家族

我国首个石墨烯和二维材料国家标准主要由泰州巨纳新能源有限公司、东南大学等单位起草。泰州巨纳新能源有限公司于2010年成立，是国内最早从事石墨烯研究、检测、应用、标准化工作的公司之一。2013年组织召开了全国首届石墨烯标准化论坛。2014年起牵头起草我国首批四项石墨烯国家标准计划项目中的两项。2014年5月，正式承担江苏省战略性新兴产业标准化试点工作并于2016年通过验收。2014年被科技部认定为国家火炬计划平台。2015年建立了低维材料在线商城91cailiao.cn，目前已给近万家科研界及工业界客户提供了高质量的零维、一维、二维材料。2016年12月，经国家标准委和中国科学院批准，承担全国纳米技术标准化技术委员会低维纳米结构与性能工作组（编号为SAC/TC279/WG9）秘书处，负责协调和组织全国低维纳米材料的标准化工作。2016年底，承担中国国际石墨烯资源产业联盟国际标准工作委员会秘书处。2018年10月成功组织举办首届低维材料应用与标准研讨会（LDMAS2018）。