研究背景
韩国成均馆大学Hyeon Suk Shin/Hyeongjoon Kim以及韩国基础科学研究院Kyuyeon Won合作发表了以下见解:
在材料科学的世界里，“有序”曾被视为理想结构的代名词。从晶体硅到单晶石墨烯，我们在结构规整的原子排列中看到了电子迁移的高效、力学强度的稳定。然而，今天我们要讲的，是一个颠覆“有序至上”观念的主角——单层无定形碳（Monolayer Amorphous Carbon，简称MAC）。它不是杂乱无章的失败品，而是一种由“无序”孕育出的崭新二维材料，正在引领我们走进二维材料发展的下一阶段。
图文导读
一、什么是单层无定形碳？
大家熟悉的石墨烯，是一种由碳原子组成的二维晶体，具有蜂窝状六边形结构。这种高度有序的排列赋予了石墨烯极高的导电性和强度。然而，在2020年，科学家首次合成了一种完全没有长程有序结构的单层碳材料——单层无定形碳。这种材料不像石墨烯那样规则，而是由五元环、六元环、七元环甚至八元环组成，键角和键长分布极其不均匀，展现出高度“无序”的原子构造。
你可能会想：“这么乱的结构，有什么用？”但正是这种无序，赋予了它石墨烯不具备的新性能，如原子级孔隙、可调节的电导率、特殊的热学和力学性能。这使得MAC在质子膜、催化膜、气体分离器等领域中展现出独特的潜力。
二、从“低温抑晶”到“以无序控无序”：MAC生长技术的转变
单层无定形碳虽然诱人，但想要制备它却并不容易。过去几年，科学家们主要依赖低温化学气相沉积（CVD）来生长MAC。温度降到200–400℃，可以有效防止碳原子形成六角晶体结构，保证“无序”特性。然而，这种方法存在很多问题：金属污染、杂质吸附、面积难以放大……这些都成为MAC实用化路上的拦路虎。
就在大家苦恼如何控制“无序”时，2025年，《Nature Nanotechnology》刊登的一项新研究打破了思维定式。Lin教授及其团队提出了一种“无序到无序”的全新生长策略——不再依靠低温来“压制”晶体结构，而是利用无序的铜基底诱导碳原子的无序成核，直接在高温（高达820℃）下快速生成单层无定形碳。
这种颠覆性的思路令人眼前一亮。
三、揭秘“无序到无序”的生长机制
那这套“无序到无序”策略究竟是如何实现的呢？
关键在于一个特别的铜薄膜。这种铜膜不是普通的光滑铜片，而是通过溅射技术在蓝宝石或氧化硅基底上构建出的高密度纳米晶粒结构，每平方微米上可以分布超过2200个纳米晶体。这种结构本身就是高度无序的。
当等离子体化学气相沉积系统在100W的高功率下运行时，这些无序铜晶粒会诱导碳原子在表面进行极高密度的成核，而每一个成核点的方向都是随机的。这意味着，即使在高温下，碳原子也难以“协同”排列出规则的晶格结构，而是迅速在3秒内生长出一层无定形碳膜。
更令人振奋的是，这种高温生长的MAC膜不仅结构无序、厚度均匀，而且原子表面极其洁净，没有金属残留和吸附杂质，还具备纳米级孔隙，非常适合做质子透过膜等高精度应用。
四、“无序”也需要被“设计”：科学家们的新思考
这项成果不只是一项技术突破，更重要的是它提出了一种全新的理念：“无序”并不是混乱，而是可以被“设计”的功能结构。
在过去，我们的思维常常将“有序”与性能挂钩，认为越规则越好。但这项研究告诉我们，如果你能设计出一种让“无序”按照你希望的方式分布的策略，那么这种“工程化的无序”也可以创造前所未有的材料属性。
当然，这一领域仍有许多未知。例如，碳原子在这些纳米晶粒上具体如何成膜？不同“种子”之间如何融合成连续薄膜？这些过程是否类似于晶体材料中的晶界合并，还是完全不同的机制？这些仍需理论和实验去深入探索。
五、二维材料的新纪元正在开启
今天的MAC，还处在像十多年前石墨烯那样的初期阶段。但它的未来潜力已经显现：
结构调控方面，科学家已开始尝试通过掺杂（如氮掺杂）或分层控制方式，进一步拓展MAC的功能性；
应用拓展方面，除了质子传输膜，MAC的原子级孔隙也为气体分离、催化反应提供了可能；
材料体系方面，人们已不满足于碳，开始探索无定形硼氮化物、无定形过渡金属二硫化物等一系列新型二维无定形材料。
可以说，我们正站在二维材料研究的“第二波浪潮”前沿。如果说石墨烯代表着“有序”结构的极致，那么单层无定形碳就是探索“无序”奥秘的开端。
写在最后：拥抱“无序”，重塑规则
在自然界里，“无序”往往带来灵活与多样性；在科技世界中，“无序”也正在突破性能的边界。
单层无定形碳的出现，提醒我们不要被“有序即优”的观念束缚。未来的材料，不仅要有序得当，也要无序有道。或许，在原子间轻微的偏差和不规则中，正隐藏着颠覆性的力量。
我们期待，科学家们在无序中继续前行，在“看似混乱”的结构背后，发现新的秩序与可能。
该工作发表在Nature Nanotechnology上
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41565-025-01986-1
来源：低维材料前沿