幾代人的思想都受到了樂高積木的啟發，這種小型的、卡扣式塑膠積木。這些積木變成了夢幻般的汽車、精美的城堡和許多其他整體作品，這些作品大於其各部分的總和。今天，新一代材料科學家正受到一種新型樂高積木的啟發：原子尺度上的構建模組。
這些新的構建元素是可以薄至只有一個原子的材料薄片，並且可以按照設計的精確順序堆疊在一起。這種前所未有的精細構造控制可以產生以前無法創造的具有電氣和光學特性的物質。它們正在使科學家們能夠想象用電阻極小地導電的材料製成的裝置、更快更強大的計算機，以及可以彎曲、摺疊且極其輕便的可穿戴電子產品。
這項突破是在石墨烯被創造出來之後實現的，石墨烯是我和我在英國曼徹斯特大學的同事於2004年從塊狀石墨中分離出來的一層碳原子單層。我們用膠帶從石墨塊的頂部剝離原子深度的層，製成了這種由重複的六邊形晶體組成的薄片——原子結構看起來有點像雞籠網。在過去的10年中，研究人員發現了其他幾十種可以以這種方式剝離的塊狀晶體，而且它們的數量還在迅速增長。雲母就是一個例子，具有奇異名稱的材料也是如此，例如六方氮化硼和二硫化鉬。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
這些晶體層被認為是二維的，因為對於任何材料而言，單個原子是可能的最小厚度。（也可以使用稍厚的、三到四個原子的晶體。）它們的其他尺寸，寬度和長度，可以更大，具體取決於製造者的意願。在過去的幾年中，二維晶體已成為材料科學和固態物理學中的熱門話題，因為它們表現出許多獨特的特性。
我們可以以非常穩定的方式堆疊這些層。它們不會以傳統方式結合在一起——例如，使用共享電子的共價鍵。但是，當原子彼此靠近時，它們會透過一種稱為範德華力的弱吸引力相互吸引。這種力通常不足以將原子和分子結合在一起，但是由於這些二維薄片原子密度如此之高，並且彼此如此靠近，因此累積力變得非常強大。
為了理解這種材料工程所提供的誘人可能性，請考慮室溫超導性。在無需幾乎難以想象的低溫來包圍裝置的情況下，以零能量損耗傳輸電力的想法一直是科學家們幾代人的目標。如果找到了可以做到這一點的材料，那麼對我們文明的影響將是深遠的。人們普遍認為，原則上可以實現這一目標，但沒有人知道如何實現。今天，可以使材料超導的最高溫度低於零下100攝氏度。在過去二十年中，提高此限制的進展甚微。
我們最近了解到，一些由氧化物製成的超導體——氧化物是至少含有一個氧原子以及另一種元素的化合物——可以按照我描述的方式分解成單獨的層。如果我們以另一種順序將它們重新組裝回去，並在其間插入額外的晶面會怎樣？我們已經知道，氧化物中的超導性取決於層間分離，並且在晶面之間新增額外的層可以將一些導電性差甚至絕緣的材料變成超導體。
這個想法尚未完全得到檢驗，主要是因為製造原子尺度樂高材料的技術仍處於起步階段。實際上，組裝複雜的多層結構很困難。目前，這些結構很少包含超過五個不同的層，並且它們通常僅使用兩到三種不同的樂高積木——主要是石墨烯，與絕緣氮化硼和半導體材料（如二硫化鉬和二硒化鎢）的二維晶體結合使用。由於堆疊體具有多種材料，因此通常被稱為異質結構。它們目前的尺寸很小——通常只有約10微米的寬度和長度，小於人類頭髮橫截面的寬度。
使用這些堆疊體，我們可以進行實驗，以尋找新穎的電氣或光學特性和新的應用。一個有趣的方面：儘管這些薄片很薄，但它們也相當靈活和透明。這為開發可以以各種方式成形的發光裝置提供了機會，例如可以根據使用者需要更大尺寸而摺疊和展開的顯示屏。使用效率更高的計算機晶片也是可能的。
如果研究人員在對這些結構的研究中發現了一些重要的東西，我們相信有可能將該技術擴大到工業用途。石墨烯和其他一些二維晶體已經發生了這種情況：最初，它們是幾個微米大小的微小微晶，但現在可以製造成數百平方米的薄片。
尚未報道任何“殺手級應用”。然而，該領域的進展正在科學界引起強烈的興奮。人類的進步始終與新材料的發現密切相關。這些發現是石器時代到青銅時代到鐵器時代到矽器時代轉變的幕後推手。奈米級樂高積木代表了以前從未創造過的東西。目前，可能性似乎是無限的。