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原理|摇身变成实验室中的二维材料，餐桌上的食盐


原理|摇身变成实验室中的二维材料，餐桌上的食盐
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氯化钠（NaCl）是我们最熟悉的一种物质之一 。 在日常生活必不可少的食盐中 ， 最主要成分就是NaCl ， 我们每天在餐桌上、厨房里都会和它见面 。
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（左）NaCl的立体结构模型 ， 绿色为氯原子 ， 紫色为钠原子 。 （右）NaCl晶体（食盐） 。 |图片来源：Benjah-bmm27&W.J.Pilsak我们平时见到的NaCl是一种晶体 ， 它的原子按照简单的立方体结构排列 ， 每个原子占据着立方体的一个顶点 ， 然后有序地堆叠起来 ， 形成我们看得见的晶莹剔透的盐粒 。 微观尺度的规则性和周期性同样反映在宏观尺度的形状上 ， 盐粒一般天然地呈现出规整的立方体形状 。
长期以来 ， 人们认为对这种化合物已经有了很深的了解 。 然而最近 ， 这种看似简单的物质却带来了意外的惊喜 。 一组来自俄罗斯的科学家预测出NaCl在金刚石表面存在奇异的二维结构 ， 也就是呈六边形的NaCl薄膜 。 随后他们通过实验首次成功创造出了六边形NaCl 。 在高压和低维的状态下 ， 这种NaCl表现出了超乎想象的复杂性 。
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二维材料由一层或几层原子组成 ， 它的性质和结构通常与大块化合物有很大不同 。
最著名的二维材料要数石墨烯 ， 它是碳的一种形式 ， 拥有很多令人惊讶的优异性能 ， 比如具有很高的强度 ， 导电性能佳 。 2004年 ， 海姆（AndreGeim）和诺沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）通过实验制备并表征了单原子厚度的石墨烯材料 ， 打开了二维材料的新世界 。 他们二人也因此获得2010年诺贝尔物理学奖 。
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单原子厚度的石墨烯 。 |图片来源：nobelprize.org后来 ， 科学家也开始研究其他具有有趣性质的二维材料 ， 比如硅烯、锡烯和硼墨烯 ， 它们分别是单层的硅、锡和硼 ， 还有MoS2、CuO和其他化合物的二维薄层结构 。 随着第一个六边形NaCl膜的合成 ， 科学家再次展示了二维材料的奇特性 。
研究人员最初仅仅是计划进行一些计算研究 ， 了解新的二维结构在不同衬底上的形成 。 这是受到一种假设的影响 ， 这种假设认为 ， 如果衬底与NaCl薄膜具有强烈的相互作用 ， 薄膜结构应该会发生重大变化 。
他们使用了一种自行开发的进化算法 ， 根据所涉及的化学元素来预测能量最低的结构 。 算法预测了NaCl在不同金属和金刚石表面的晶体结构 ， 而在金刚石表面的结果非常有趣 ， NaCl与金刚石似乎会表现出强烈的化学相互作用 。 预测最终表明 ， 金刚石衬底上存在一种纳米级厚度的六边形NaCl膜 。
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在晶体取向(110)的金刚石衬底表面形成的单层（左）和双层（右）的NaCl膜 。 |图片来源：[2]有了这样令人兴奋的预测结果 ， 科学家自然不想错过这个机会 ， 他们决定通过实验来验证 。 最终 ， 实验合成的成功确认了这种六边形NaCl薄膜的存在 。 NaCl膜的平均厚度约6纳米 ， 更厚的膜会从六边形结构回到立方体结构 ， 也就是我们所知道的食盐的典型结构 。


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