与石墨相比，石墨烯在抗拉强度、柔韧性、导电性和导热性等方面表现出显著的性能提升。这种由单层碳原子组成的二维（2D）纳米材料的发现，引发了人们对其他原子级厚度材料潜在应用日益浓厚的兴趣。
在此基础上，研究人员致力于开发其他具有独特性能和潜在应用的原子级厚度材料。
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什么是石墨烯？
石墨烯是一种以六角晶格排列的原子级厚度碳原子层，于2004年首次被报道。这类革命性的二维材料具有极高的比表面积，且比传统碳基材料更薄、更强、更轻、更具柔韧性。此外，石墨烯极小的尺寸和量子限域效应使其具备了块体材料所不具备的新颖特性，如透明度和半导体特性。原子级厚度材料在复合材料中也能与其他物质产生强烈的相互作用，从而带来有益的协同效应。
材料研究人员可以使用 CAS SciFinder 搜索材料科学文献，识别支持创新的结构-性能关系和合成方法。
三类原子级厚度材料
受石墨烯成功的鼓舞，科学家们开始研究其他原子级厚度的材料。目前的研究主要集中在根据成分分类的三种材料类型上：
- X-enes：非金属物质，如石墨烯、磷烯、氮化硼、硅烯和石墨相氮化碳
- Metal-X-enes：含金属化合物，如过渡金属碳化物、硫属化合物、氮化物、氧化物、氢氧化物和卤化物
- Metallenes：金属及合金，如金烯、锡烯和锗烯，可进一步细分为双金属烯、三金属烯等。
图1回顾了自石墨烯发现以来二维材料的研究历史。
图2展示了原子级厚度材料的子类别及其个体、重要特性以及它们与各种应用之间的关系。
单原子层黄金的独特属性
在当前研发的金属烯中，金烯（即单层金原子）展现出了令人瞩目的科学前景。由于金烯有望表现出独特的催化性能和光学特性，其在催化和光电子学领域的应用潜力巨大。
是什么让金烯成为太阳能电池、传感器、电池及其他电子设备中极具潜力的候选材料？
- 超薄特性： 金烯比商用金箔薄 400 倍，预计厚度仅为 0.2-0.4 纳米。早期关于衬底支撑的单原子层金的研究表明，其具有半导体特性，且 带隙为 0.95-2.85 eV。
- 键能： 金烯的计算键能为 0.94 eV，高于块体金的 0.52 eV，这是由于其每个原子的成键数量较少所致。
- 弹性： 预测金烯的弹性模量（杨氏模量）为 226 GPa，高于 块体金的 76-80 GPa 和 金纳米片的 60 GPa，与 A36 钢 相当。
考虑到黄金的高昂成本，金烯的机械性能可能并非首要考量，因为此类应用通常需要大量材料。然而，金烯在电学、催化、光学和生物医学性能方面的提升至关重要，因为这些特性正是许多新兴关键技术所迫切需求的。
金烯的潜在应用
单原子层黄金的应用前景更为广阔。除了装饰和贸易用途外，黄金在科学技术领域已是重要的金属，广泛应用于电子学、多相催化、电催化、传感器、光子学和生物医学。由于该技术尚处于起步阶段，目前关于单原子层金的文献数量有限。因此，我们选择回顾包含较厚金纳米结构（如纳米片、纳米板和薄膜）的文献，以分析二维黄金的已知应用。
我们分析了 CAS Content Collection™ 中关于金属烯和二维黄金的文献索引关键词（图 3）。金属烯相关文献中的主流概念主要与电催化和电化学储能有关，这主要是因为金属烯多由金以外的贵金属（如钯、铑、铂）及其合金制成。
相比之下，二维金纳米结构的相关文献则强调了其在传感器、药物递送、光热疗法和多相催化等领域的应用。这主要归功于金和银等少数金属所表现出的独特表面等离子体共振效应。黄金的惰性和生物相容性，结合其优异的电学和光学特性，使其成为生物医学应用中备受信任的材料。
阻碍金烯发展的挑战
为了挖掘这种创新材料的潜力，研究人员正致力于克服诸多挑战，以使金烯能够实现广泛应用。
在三类单原子层材料中，金属烯的合成最具挑战性。这是因为大多数金属的键具有各向同性，倾向于形成紧密堆积的结构，如纳米颗粒和一维（1D）纳米结构。相比之下，许多非金属和过渡金属化合物由范德华力结合的层状结构组成，这使得它们更容易通过自上而下的方法剥离成单层。
目前已合成了大量的金纳米颗粒、一维和二维纳米结构，并在各种应用中表现出高性能。然而，制备单原子层二维金仍然困难重重。目前报道的大多数二维金纳米结构要么是支撑在其他材料上的单原子层，要么是由多原子层组成的。单原子层金具有强烈的热力学倾向，容易聚集成由纳米颗粒岛组成的不连续薄膜。
一份 2022 年关于金烯合成的报告遭到了其他科学家的质疑，认为其制备的是多层金而非单层。然而，近期一份关于金烯合成的报告通过表面活性剂和配体稳定了单原子层金，已引起了广泛关注。
金烯的一个潜在缺点是其抗拉强度仅为 12 GPa，远低于块体金的 100-200 GPa。此外，必须考虑在不使用表面活性剂和配体的情况下稳定金烯的挑战，因为这些分子在表面的存在可能会显著阻碍黄金备受期待的表面相关特性。
金烯的未来是否光明？
金烯开发的扩展性及其应用广度尚待观察。然而，原子级厚度材料所具备的独特而迷人的特性，无疑将持续吸引科研界与商业界的关注。
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