自石墨烯被剥离出来以来，二维（2D）材料领域就一直吸引着科学界的极大关注，引发了对原子尺度材料的狂热探索。这些超薄材料展现出与其块体形态截然不同的非凡特性，为电子、光子、能源等领域提供了前所未有的机遇。尽管二维材料家族已扩展到包括各种范德华状化合物，如过渡金属硫化物和六方氮化硼，但在其最基本厚度极限——埃米（ångström）尺度下实现二维金属，在很大程度上仍然是一个重大挑战，这主要是因为它们固有的热力学不稳定性。最近发表在《自然》杂志上的一项题为“Realization of 2D metals at the ångström thickness limit”的开创性研究，报道了一种成功克服这一难题的新方法，为探索真正二维金属体系的独特物理特性和技术潜力铺平了道路。

范德华材料能够被剥离成二维层，源于其固有的层状晶体结构。在层内，原子通过强大的共价键或离子键结合在一起，而层与层之间则由相对较弱的范德华力维系。这种各向异性的键合使得机械或化学剥离成为可能。相比之下，金属通常具有强大的、非定向的金属键，这些键在三维空间中均匀延伸。因此，将块体金属减薄至原子厚度的层会显著增加表面能，破坏稳定的三维键合环境，导致二维金属状态在热力学上不稳定，容易聚集或反应。以往尝试制备原子级薄金属膜的方法，常常导致薄膜不稳定、形成不连续的岛状结构，或者需要复杂且材料特异性的合成途径，且可扩展性和环境稳定性有限。

这篇发表在《自然》杂志上的论文所提出的创新之处在于，开发了一种通用且有效的方法，称为“范德华挤压”。该方法通过物理限制和稳定原子极限下的金属来规避热力学不稳定性。其核心原理是将少量块体金属放置在两个原子级平坦、刚性的范德华材料层之间，具体来说，使用了外延生长在刚性衬底（如蓝宝石）上的单层MoS₂作为“压砧”。该过程通常涉及将金属前驱体加热至熔化或变得易于变形的状态，然后在MoS₂压砧的夹持下施加显著压力。

当施加压力并且金属被限制在MoS₂层之间的纳米级空间内时，它被迫横向铺展，形成一个超薄层。MoS₂压砧的作用至关重要。首先，它们原子级的平坦表面为金属提供了理想的模板，使其能够贴合形成相对较大面积上的均匀埃米厚度层。其次，MoS₂及其下方蓝宝石衬底的高杨氏模量使得压砧能够承受将金属挤压至原子极限所需的巨大压力。最重要的是，MoS₂层起到了原位封装层的作用。一旦金属层形成，周围的MoS₂会将其完全封装起来，有效地屏蔽其与环境的接触，并提供了稳定热力学上不稳定的二维状态所需的物理限制。二维金属与MoS₂之间的界面是非键合的范德华界面，这一点至关重要，因为它最大程度地减少了化学相互作用，使得人们能够接触和研究纯二维金属的本征特性。

利用这种范德华挤压方法，研究人员成功合成了多种金属的埃米厚度层，包括铋（Bi）、锡（Sn）、铅（Pb）、铟（In）和镓（Ga）等金属。所达到的厚度与这些材料理论上的单层厚度惊人地接近，证实了金属在原子极限下的实现。例如，单层Bi的厚度约为6.3埃米。

该研究进一步详细表征了这些新实现的二维金属的性质，特别侧重于单层Bi。输运测量显示，与更厚的薄膜相比，其电导率显著增强。更令人瞩目的是，他们观察到了显著的场效应，这是半导体或半金属的典型特性，即施加外部电场可以调制载流子浓度，从而改变电导率。在二维极限下的金属Bi中观察到显著的场效应尤其令人着迷，这表明其具有晶体管类应用的潜力。此外，研究人员报告了二维Bi中存在巨大的非线性霍尔电导和一个新的声子模式的出现，这两者都表明当材料被限制在二维空间时，会产生独特且先前未曾观察到的电子和振动特性。这些发现表明，即使是简单的元素金属，在原子尺度下也可以展现出丰富而新颖的物理现象。

这项工作的意义是多方面的。从基础科学的角度来看，它为探索金属在严格二维环境下的电子、光学和量子特性开辟了全新的途径。先前预测的在二维金属中可能出现的奇异现象，例如增强的电子关联、独特的等离激元响应，甚至拓扑态，现在都可以通过实验进行研究。制备稳定、纯净的二维金属层，使得在不受表面污染或复杂界面干扰的情况下，进行详细的光谱和输运研究成为可能。

从技术角度来看，稳定、大面积二维金属的实现具有巨大的潜力。原子级薄的金属可以作为未来微型电子电路中的互连线，与较厚的导线相比，可提供更低的电阻和功耗。它们在纳米尺度的独特光学特性可被用于先进的等离激元器件、传感器和超材料。此外，在二维Bi中观察到的增强场效应暗示了制造超薄、低功耗晶体管或开关的可能性。该方法的通用性还表明，有望制造出二维金属合金或与其他二维材料的异质结构，进一步拓展新型功能器件的设计空间。范德华压砧提供的封装确保了环境稳定性，这对于实际应用至关重要。

这项研究是材料科学领域的一项重大飞跃，弥合了成熟的二维范德华材料领域与先前难以实现的稳定原子级薄金属领域之间的鸿沟。范德华挤压法是一种强大且看似通用的技术，有望应用于多种非自然层状的材料。它不仅为元素二维金属的实现提供了一条可靠的途径，还可能实现埃米极限下的二维合金、金属间化合物，甚至非晶态金属薄膜，每种都拥有其独特的性能组合。