“启示”号坠入二维空间，它被二维化的速度很快，只有几秒钟，焰火般的光芒再一次照亮了黑暗的天空。这是一幅面积广阔的二维图画，从十万千米外的“阿拉斯加”号上可以清晰地观察到。在这幅图画上，可以清楚地分辨出“启示”号上的每一个人，他们手拉手拥聚在一起躯体中的每一个细胞都以二维状态裸露在太空中，成为毁灭巨画中最先被画入的人。
——《三体》
科幻小说《三体》中，一种名为“二向箔”的宇宙武器能够将三维物体瞬间降维成二维，由此摧毁了太阳系。虽然现实世界中的人类还未掌握如此极端的技术，但是将生活中的三维材料转变为原子级厚度的二维材料已经不再是科幻中的情节。
近日，中国科学院物理研究所的科研团队成功研制出
厚度仅为头发丝直径的二十万分之一的单原子层金属，这是国际上首次实现大面积二维金属材料的制备，开创了二维金属研究新领域。
成果于北京时间 3 月 13 日在国际学术期刊《自然》发表。
什么是二维材料？为什么科学家要制备单原子层金属？他们又是如何实现对金属“降维”的？这就让我们一一道来。
原子是组成物质的基本单位，就像一个个小球，堆叠之后形成了各种材料。如果一层层地移走小球，最后只剩下单个或数个原子级别厚度的“平面”或“薄片”，这就得到了
二维材料
。
当然，以人类当前对物理学的理解，我们生活在一个三维的世界，能够局部改变维度的二向箔暂时只是科幻作品中的设定。即使是单个的原子也有一定的“厚度”，不可能降为真正意义上的二维。不过，
二维材料的厚度达到了原子层的物理极限，
通常在纳米级别
，仅为一张A4纸的百万分之一，因此在材料学的应用中，可以近似视为只有长宽、没有厚度的二维平面。
三维材料与二维材料的转化示意图（图片来源：Queen Mary University of London）
除了二维材料，还有零维和一维材料的概念（图片来源：rusnano）
二维材料的结构如此奇特，那我们的日常生活中有机会接触到二维材料吗？当然有！比方说铅笔芯中的石墨，它是由多层碳原子以六边形蜂窝状晶格排列而成的。用铅笔书写的时候，留下的笔迹事实上就是薄薄的石墨片。如果这个石墨片足够薄，薄到只有一个原子厚，那就得到了一种二维材料——
石墨烯
。
石墨（左）和石墨烯（右）结构示意图（图片：ce.eco）
怎样才能得到只有一个原子厚的石墨薄片呢？不必使用二向箔，我们就用最简单的方法：
用胶带撕！
重复用胶带粘贴和撕开石墨块表面，每次都会把几层碳原子给撕下来，最终胶带上会残留极薄的石墨片，其中就可能包含单原子层的石墨烯。
正是用这个看似朴实无华的方法，海姆和诺沃肖洛夫两位科学家首次制备得到单层石墨烯，由此荣获 2010 年诺贝尔物理学奖。在此之前，传统理论认为二维晶体无法稳定存在，石墨烯颠覆了这一观念，
是人类发现的第一种真正意义上的二维材料。
“撕”出来的二维材料——石墨烯（图片来源：National University of Singapore）
相比起多原子层堆叠形成的三维材料，
二维材料具有独特的物理性质，因此备受科学家的青睐
。举例来说，二维材料大部分的原子裸露在外界，具有很大的化学反应有效面积，可应用于
催化
领域
；二维材料中的电子被限制在平面内运动，大大增强了材料的导电性，还能表现出量子霍尔效应、二维超导等一系列低维下的
奇特量子现象
；甚至可以把不同组成的二维材料拼接起来，像搭积木一样组合出各种各样的器件……
多彩的二维材料（图片来源：中国科学院大连化学物理研究所）
自 2004 年发现石墨烯以来，实验可获得的二维材料已经达数百种，理论预测的更是近 2000 种。然而，二维材料的来源面临一个严峻的问题，那就是
局限于层状材料体系
。
现在用于制备二维材料的三维母体材料一般都是
范德华层状材料
，在特定方向上以原子层排列，层间通过比较弱
的范德华力相连
接，因此更容易用外力一层层“撕开”。但是在自然界已知的十多万种三维固体材料中，
层状材料的占比还不到 3%
，其余绝大多数都
是非范德华材料，
原子之间有较强的成键，很难通过常规的机械剥离等方式得到二维材料，这就大大限制了二维材料的丰富性。
左：范德华层状材料 二硫化钼 右：非范德华材料 二硫化铁 二硫化钼的层间有间隙，二硫化铁的原子间紧密连接（图片来源：参考资料[5]）
我们熟悉的大多数金属，比如说金、银、铜、铁，都属于缺少层状结构的非范德华材料，每个原子在任意方向均和周围原子有强的金属键相互作用。要想获得原子极限厚度的二维金属，就像从压缩饼干中剥出像千层饼那样完整的一层，难度极大。
