2010年诺贝尔物理学奖发给了安德烈·盖姆爵爷，表彰他在石墨烯研究方面的卓越贡献。你小时候或许也听说过这项“透明胶扯出来的诺贝尔奖”，意思是用透明胶反复剥离石墨，可以获得只有一层碳原子厚的石墨烯。

这是因为石墨是一种范德瓦尔斯(van der Waals, vdW)晶体，每一层内的碳原子由共价键相连，形成蜂窝状六边形结构，片层之间的相互作用力则是非常弱的范德瓦尔斯力，可以轻松用胶带分离开。关于石墨烯的报道引发了众多关注，很快研究者就获得了其他的单层二维材料，比如说和石墨烯一样是蜂窝结构的二维氮化硼，还有许多种过渡金属二硫化物（TMDs）比如二硫化钼。那既然我们可以从三维vdW晶体中剥离出单层，可不可以再把这些单层叠起来呢？

可以的。在2013年发表的这篇[1]展望中，盖姆爵爷提出，就像拼乐高一样，我们可以把二维材料再拼起来（见示意图），想要什么顺序什么种类都可以！这类人造的vdW晶体或许有望模拟超导材料，通过控制片层厚度提高超导温度。原子乐高听起来很爽，实际上能不能做到呢？有一些要求。首先能稳定存在的二维材料并没有那么多：很多三维材料都依靠表面钝化来维持稳定，而单原子厚度的二维材料就只有表面，正面反面一钝化就没了！其次，在胶带剥离的过程中，胶带上的有机物和空气中的水分子不可避免地会污染材料表面，使得堆叠起来的多层结构并不像乐高那样严丝合缝，可能更像蛋糕——几片之间糊满了奶油霜。

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这不仅是一个科幻想象，而是已经有了一些尝试。研究表明把石墨烯叠在氮化硼上可以显著增强石墨烯的电学性能，上下两层氮化硼夹TMD单层则可以保护比较不稳定的材料。研究还发现，实际上片层之间的vdW作用力足够强，可以把杂质挤开，最后杂质就会堆在一起形成泡泡（就像贴膜没贴好）。这些都是在实验室环境里通过显微镜下精准操作实现的，如果想要获得大片vdW晶体工业化使用，目前的外延生长技术好像还做不到😿 距离这篇展望发表已经过去了8年，全球许多玩家都参与了这项原子乐高活动，而且我们发现，乐高这个类比或许并不准确。不同二维材料的晶体结构不同，不能像乐高一样“咔哒”合上。片层之间还可以通过扭转角度改变能带结构[2]，甚至实现超导[3]。

  1. Geim, Andre K., and Irina V. Grigorieva. “Van der Waals heterostructures.” Nature 499.7459 (2013): 419-425.
  2. Yeh, Po-Chun, et al. “Direct measurement of the tunable electronic structure of bilayer MoS2 by interlayer twist.” Nano letters 16.2 (2016): 953-959.
  3. Cao, Yuan, et al. “Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices.” Nature 556.7699 (2018): 43-50.

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