研究背景

韓國成均館大學Hyeon Suk Shin/Hyeongjoon Kim以及韓國基礎科學研究院Kyuyeon Won合作發(fā)表了以下見解:

在材料科學的世界里，“有序”曾被視為理想結(jié)構(gòu)的代名詞。從晶體硅到單晶石墨烯，我們在結(jié)構(gòu)規(guī)整的原子排列中看到了電子遷移的高效、力學強度的穩(wěn)定。然而，今天我們要講的，是一個顛覆“有序至上”觀念的主角——單層無定形碳（Monolayer Amorphous Carbon，簡稱MAC）。它不是雜亂無章的失敗品，而是一種由“無序”孕育出的嶄新二維材料，正在引領(lǐng)我們走進二維材料發(fā)展的下一階段。

圖文導讀

一、什么是單層無定形碳？

大家熟悉的石墨烯，是一種由碳原子組成的二維晶體，具有蜂窩狀六邊形結(jié)構(gòu)。這種高度有序的排列賦予了石墨烯極高的導電性和強度。然而，在2020年，科學家首次合成了一種完全沒有長程有序結(jié)構(gòu)的單層碳材料——單層無定形碳。這種材料不像石墨烯那樣規(guī)則，而是由五元環(huán)、六元環(huán)、七元環(huán)甚至八元環(huán)組成，鍵角和鍵長分布極其不均勻，展現(xiàn)出高度“無序”的原子構(gòu)造。

你可能會想：“這么亂的結(jié)構(gòu)，有什么用？”但正是這種無序，賦予了它石墨烯不具備的新性能，如原子級孔隙、可調(diào)節(jié)的電導率、特殊的熱學和力學性能。這使得MAC在質(zhì)子膜、催化膜、氣體分離器等領(lǐng)域中展現(xiàn)出獨特的潛力。

二、從“低溫抑晶”到“以無序控無序”：MAC生長技術(shù)的轉(zhuǎn)變

單層無定形碳雖然誘人，但想要制備它卻并不容易。過去幾年，科學家們主要依賴低溫化學氣相沉積（CVD）來生長MAC。溫度降到200–400℃，可以有效防止碳原子形成六角晶體結(jié)構(gòu)，保證“無序”特性。然而，這種方法存在很多問題：金屬污染、雜質(zhì)吸附、面積難以放大……這些都成為MAC實用化路上的攔路虎。

就在大家苦惱如何控制“無序”時，2025年，《Nature Nanotechnology》刊登的一項新研究打破了思維定式。Lin教授及其團隊提出了一種“無序到無序”的全新生長策略——不再依靠低溫來“壓制”晶體結(jié)構(gòu)，而是利用無序的銅基底誘導碳原子的無序成核，直接在高溫（高達820℃）下快速生成單層無定形碳。

這種顛覆性的思路令人眼前一亮。

三、揭秘“無序到無序”的生長機制

那這套“無序到無序”策略究竟是如何實現(xiàn)的呢？

關(guān)鍵在于一個特別的銅薄膜。這種銅膜不是普通的光滑銅片，而是通過濺射技術(shù)在藍寶石或氧化硅基底上構(gòu)建出的高密度納米晶粒結(jié)構(gòu)，每平方微米上可以分布超過2200個納米晶體。這種結(jié)構(gòu)本身就是高度無序的。

當?shù)入x子體化學氣相沉積系統(tǒng)在100W的高功率下運行時，這些無序銅晶粒會誘導碳原子在表面進行極高密度的成核，而每一個成核點的方向都是隨機的。這意味著，即使在高溫下，碳原子也難以“協(xié)同”排列出規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，而是迅速在3秒內(nèi)生長出一層無定形碳膜。

更令人振奮的是，這種高溫生長的MAC膜不僅結(jié)構(gòu)無序、厚度均勻，而且原子表面極其潔凈，沒有金屬殘留和吸附雜質(zhì)，還具備納米級孔隙，非常適合做質(zhì)子透過膜等高精度應用。

四、“無序”也需要被“設計”：科學家們的新思考

這項成果不只是一項技術(shù)突破，更重要的是它提出了一種全新的理念：“無序”并不是混亂，而是可以被“設計”的功能結(jié)構(gòu)。

在過去，我們的思維常常將“有序”與性能掛鉤，認為越規(guī)則越好。但這項研究告訴我們，如果你能設計出一種讓“無序”按照你希望的方式分布的策略，那么這種“工程化的無序”也可以創(chuàng)造前所未有的材料屬性。

當然，這一領(lǐng)域仍有許多未知。例如，碳原子在這些納米晶粒上具體如何成膜？不同“種子”之間如何融合成連續(xù)薄膜？這些過程是否類似于晶體材料中的晶界合并，還是完全不同的機制？這些仍需理論和實驗去深入探索。

五、二維材料的新紀元正在開啟

今天的MAC，還處在像十多年前石墨烯那樣的初期階段。但它的未來潛力已經(jīng)顯現(xiàn)：

結(jié)構(gòu)調(diào)控方面，科學家已開始嘗試通過摻雜（如氮摻雜）或分層控制方式，進一步拓展MAC的功能性；

應用拓展方面，除了質(zhì)子傳輸膜，MAC的原子級孔隙也為氣體分離、催化反應提供了可能；

材料體系方面，人們已不滿足于碳，開始探索無定形硼氮化物、無定形過渡金屬二硫化物等一系列新型二維無定形材料。

可以說，我們正站在二維材料研究的“第二波浪潮”前沿。如果說石墨烯代表著“有序”結(jié)構(gòu)的極致，那么單層無定形碳就是探索“無序”奧秘的開端。

寫在最后：擁抱“無序”，重塑規(guī)則

在自然界里，“無序”往往帶來靈活與多樣性；在科技世界中，“無序”也正在突破性能的邊界。

單層無定形碳的出現(xiàn)，提醒我們不要被“有序即優(yōu)”的觀念束縛。未來的材料，不僅要有序得當，也要無序有道?；蛟S，在原子間輕微的偏差和不規(guī)則中，正隱藏著顛覆性的力量。

我們期待，科學家們在無序中繼續(xù)前行，在“看似混亂”的結(jié)構(gòu)背后，發(fā)現(xiàn)新的秩序與可能。

該工作發(fā)表在Nature Nanotechnology上

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-025-01986-1

來源：低維材料前沿