原子樂高
"把厚度僅一個原子的各種薄層組合，即可形成另一種特性完全不同的新材料，未來我們將能打造功能更強的嶄新裝置。 "
撰文／蓋姆（Andre K. Geim）
翻譯／甘錫安
樂高積木這種小小的塑膠組合方塊，啟發了許多世代的傑出人才。這種小方塊可做出時髦汽車的樣式、精細的城堡，以及效果遠超過所有方塊組合、令人讚歎的各種創作。現在，新型樂高積木將啟發新一代的材料科學家，而這種樂高積木就是原子尺度的「構件」。
這種新的構件是厚度僅一個原子的薄層，可依照精心設計的順序堆疊。藉由這類前所未有的精密結構控制，能夠製作出嶄新材料，其導電和光學性質是以往不可能存在的。有了這類材料，科學家將可設計出依極低電阻特性打造的裝置、速度更快且運算效能更強大的電腦，以及能夠彎曲、摺疊且重量極輕的穿戴式電子裝置。
這項重大突破的先鋒是石墨烯。石墨烯是厚度僅一個原子的碳原子薄層，2004年，我和英國曼徹斯特大學的同事首度由體積較大的石墨塊分離而得。我們使用透明膠帶，從石墨塊表面撕起厚度僅一個原子的石墨烯，石墨烯是由六角碳環構成如蜂巢般的薄層，原子結構看來就像鐵絲網一樣。近10年來，研究人員以「撕起膠帶分離薄層」的方式，發現了數十種物質，而且種類正在快速增加。石英就是一例，另外還有六方氮化硼和二硫化鉬等名稱較不常聽到的材料。
這類薄層通常視為二維平面，因為對於任何材料而言，一個原子是最小的可能厚度。（即便厚度為兩、三個原子的薄層也適用。）這類薄層的寬度和長度可能大上許多，全看製作者的需求。過去幾年，平面薄層由於具備許多獨特的性質，已經成為材料科學和固態物理領域的熱門主題。
這些薄層能以相當穩定的方式堆疊，但並非透過共用電子的共價鍵等傳統方式，而是當原子十分接近時，以微弱的凡得瓦力（van der Waals force）互相吸引。這種作用力通常不足以使原子和分子結合，但由於這類薄層的原子密度極高、距離極近，因此總合的力相當強大。
要了解這類材料的驚人潛力，可以想想室溫超導性。輸送電力時能量不會散失，而且輸送器材不需要裝置在難以想像的低溫下，是各個世代科學家的目標。如果能發現達到這個目標的材料，對人類文明的影響將十分深遠。科學家都認為這個目標原則上可以達成，但沒有人知道該怎麼做。目前超導材料的最高溫度仍需低於–100℃，近20年來提升此極限的進展相當有限。
