后AI时代的二维材料研究

随着人工智能（AI）的快速发展，我们正在逐渐迈入后人工智能时代，这是一个充满机遇和挑战的时代。在这个时代，物联网（IoT）的兴起和AI技术的广泛应用将引领科技领域的巨变。在这一新时代，二维材料的研究和应用将发挥关键作用，为我们的社会和科技带来革命性的变革。

鉴于此，近日来自韩国科学技术院、庆熙大学以及材料创新研究院的研究人员Advanced Materials上以2D Materials Beyond Post-Ai Era: Smart Fibers, Soft Robotics And Single Atom Catalysts为题发表综述文章，深入探讨了在后人工智能时代，基于二维材料的智能纤维、软体机器人和单原子催化为人类社会所带来的变革性影响。

图1. 由二维材料驱动的众多新兴应用。

图源：Advanced Materials (2023).           

在过去的几十年里，科学家们在材料科学领域一直在不断寻求新的突破，寻找那些具有独特性能和应用潜力的材料，以推动科技的进步和社会的发展。其中，二维材料的涌现被认为是材料科学领域中的一大重大突破，引起了广泛的研究兴趣和科研热情。

二维材料之所以备受瞩目，首先要归功于它们独特的结构。这些材料的结构特殊，仅由一层或几层原子构成，与传统的三维材料相比，它们的厚度极其薄。这种几乎是二维的结构使它们表现出了一系列非凡的物理和化学性质，为各种应用领域带来了新的机遇。

石墨烯是最著名的二维材料之一。它由碳原子构成，呈现出蜂窝状的结构，就像蜂巢一样。这种结构赋予了石墨烯一些令人惊叹的特性。首先，它具有惊人的电导率，是所有已知材料中最好的导体之一。电子在石墨烯中可以以极高的速度移动，这使其成为电子器件的理想材料。此外，石墨烯还表现出出色的机械强度，尽管它如此薄，但它却异常坚固。这种机械强度使其具备出色的耐用性，适用于各种工程应用。此外，石墨烯还具有出色的导热性能，其热传导速度也非常快。这使得它在热管理领域具有广泛的应用前景。

然而，石墨烯只是众多二维材料中的一个代表，二维材料家族还包括过渡金属二硫化物（TMDs）、磷烯（phosphorene）、氮化硼（h-BN）、MXene等等。每种二维材料都具有独特的性质和潜在应用，因此科学家们对它们进行了深入的研究。

一、二维材料在物联网中的应用

二维材料在物联网（IoT）中具有广泛的应用前景，它们为物联网设备提供了许多独特的性能和功能。文章分析了二维材料在物联网中的一些潜在应用场景。

例如，二维材料的出色机械强度和柔韧性使它们成为制造柔性电子和传感器的理想材料。这些材料可以制成柔性电路，用于监测和传输数据。例如，柔性温度传感器可以使用二维材料来实现高精度的温度测量。这对于监测物联网设备的工作环境非常重要。    

其次，二维材料还可以用于能源存储和收集，这对于物联网设备的长期运行至关重要。它们具有出色的电导率和导热性能，适用于制造高效的电池和超级电容器。此外，某些二维材料还表现出优异的光电性能，可用于太阳能电池。

更重要的是，由于二维材料具有大量的表面积和化学反应性，它们可用于制造高灵敏度的环境传感器。这些传感器可以监测空气质量、水质和其他环境参数，为物联网设备提供实时数据，以便采取相应的控制措施。

此外，二维材料的电磁性能使其成为高频通信技术的理想材料。它们可以用于制造微小天线和传输线，以实现更快速和可靠的通信。这对于物联网设备之间的数据传输至关重要。

最后，二维材料还可以用于制造防窃听和安全通信设备。它们的特殊电子性质和量子效应可以用于加密通信和数据保护，确保物联网设备的安全性和隐私。

图2. 基于二维材料的智能纤维发展历程。

图源： Advanced Materials (2023).

二、二维材料在软体机器人中的应用

软机器人是未来机器人领域的一个重要方向，因为它们可以更好地模仿人体运动和互动。传统的硬材料机器人往往受限于其有限的自由度、高重量和低能效，而二维材料可以用于制造柔性、轻量级的软机器人。最近的研究已经证明，基于二维材料的软机器人表现出出色的性能，甚至超过人体肌肉。这意味着软机器人可以在各种领域实现更出色的性能，从工业制造到医疗保健。    

二维材料的一个明星代表就是石墨烯。石墨烯由碳原子构成，呈现出一种蜂窝状的结构，具有出色的电导率、机械强度和导热性能。这使得石墨烯成为软机器人研究者追逐的对象，因为这些性质可以在软机器人的设计和制造中发挥关键作用。

石墨烯不仅具有出色的电导率，还具有柔韧性。这一特性对软机器人非常重要，因为它们需要能够适应不同的形状和环境。软机器人通常由柔性材料制成，而石墨烯的引入可以增加其机械稳定性，使其更容易适应不同的任务和环境。

此外，二维材料还可以用于制造软机器人的传感器。这些传感器可以用于监测机器人的周围环境，包括温度、湿度和压力等因素。二维材料的高导电性和灵敏度使其成为理想的传感器材料，有助于软机器人更好地理解和响应其工作环境。

软机器人的动力系统也可以受益于二维材料的应用。二维材料可以用于制造柔性激励器，用于控制软机器人的运动。这些激励器可以响应外部刺激，如电压或光照，从而实现机器人的形状变化和运动。二维材料的快速电子传输特性可确保高效的激励响应，有助于软机器人的运动精度和速度。

此外，二维材料还可以用于制造软机器人的结构和关节部分。这些材料具有出色的机械强度和柔韧性，可以确保机器人在变化的工作条件下保持稳定的形状和运动。二维材料的高强度和轻量化有助于减轻机器人的重量，使其更容易操控和运动。

能源存储和转换也是软机器人领域的关键问题。软机器人需要可靠的能源系统，以支持其运行。二维材料可以用于制造柔性太阳能电池和超级电容器，这些设备可以集成到机器人的结构中，为其提供所需的能源。这对于实现自主行动和长时间任务执行至关重要。    

最后，软机器人还可以受益于二维材料的光学性质。某些二维材料具有出色的光学性能，可用于制造光驱动的软机器人。这些机器人可以利用光能源来实现运动和操作，从而拓展了它们的应用领域。

总之，二维材料在软机器人领域具有广泛的应用前景。它们可以增强软机器人的柔性、敏捷性和性能，有助于机器人更好地适应不同的任务和环境。随着对这些材料的深入研究和开发，我们可以期待看到更多创新的软机器人解决方案的出现，这些解决方案将在医疗、制造业、教育和其他领域发挥关键作用。这些二维材料的应用将推动软机器人技术走向新的高度，为未来的机器人应用提供更多可能性。

图3. 基于二维材料的软体机器人发展历程。

图源： Advanced Materials (2023).

三、二维材料在未来能源领域的应用

能源，是人类社会发展不可或缺的基础，而如今，我们正面临着日益紧迫的能源挑战。化石燃料的有限性、能源供应的不稳定性和气候变化的威胁，都迫使我们寻找更可持续的能源解决方案。在这个关键时刻，二维材料崭露头角，为能源领域带来了新的希望。    

二维材料，如石墨烯和过渡金属二硫化物，以其独特的电子结构和出色的导电性质而闻名。这使它们成为了高效能源存储和转换的理想材料。首先，让我们来看看二维材料在太阳能领域的应用。

太阳能作为清洁能源的代表，一直是人们追求的目标。然而，太阳能电池的效率和成本一直是制约其广泛应用的问题。二维材料的引入改变了这一格局。石墨烯和其他二维材料具有出色的电导率，使它们成为高效太阳能电池的理想材料。通过将二维材料纳入太阳能电池的结构，可以提高电荷传输效率，从而提高电池的性能。此外，二维材料的轻质特性有助于减轻太阳能电池的重量，使其更易于安装和维护。

然而，太阳能电池只是能源转换的一部分。能源存储也是一个关键问题，尤其是在太阳能不可用的时候。二维材料在这一领域也发挥着关键作用。

二维材料可以用于制造超级电容器，这些电容器可以高效地存储能量并提供快速的释放。其高电导率和大表面积使二维材料成为超级电容器的理想电极材料。此外，二维材料还可以用于制造锂离子电池和燃料电池，这些设备在能源存储和转换中具有巨大的潜力。通过结构和组分的精心设计，可以实现更高的能源密度和更长的使用寿命，从而提高能源系统的可靠性。

除了太阳能和储能，二维材料还在其他能源领域发挥作用。在风能领域，二维材料可以用于制造更高效的风力涡轮机叶片。由于其轻质和高强度，二维材料可以减轻叶片的重量，提高风力涡轮机的性能。此外，二维材料还可以用于制造高效的热电材料，将废热转化为电能，减少能源浪费。

在核能领域，二维材料也具有巨大潜力。它们可以用于制造更安全和高效的核反应堆材料，减少核辐射风险。此外，二维材料还可以用于制造高效的光催化剂，将太阳能转化为化学能，用于水分解和二氧化碳减排。    

总的来说，二维材料在能源领域的应用可以提高能源转换和存储的效率，减少对化石燃料的依赖，推动可持续能源的发展。虽然仍然存在许多挑战，但随着对二维材料的深入研究和开发，我们可以期待看到更多创新的能源技术的出现，为我们的能源未来带来新的可能性。

参 考文献： Gang San Lee, Jin Goo Kim, Jun Tae Kim, Chan Woo Lee, Sujin Cha, Go Bong Choi, Joonwon Lim, Suchithra Padmajan Sasikala, Sang Ouk Kim.  2D Materials Beyond Post-Ai Era: Smart Fibers, Soft Robotics And Single Atom Catalysts . Advanced Materials (2023).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307689

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