Takashi Taniguchi和他制作晶体用的液压机在日本筑波国家材料科学研究所。（图片来源：《自然》）
当Takashi Taniguchi探入世界最强液压机之一的核心时，空气中弥漫着金属刺鼻的味道。这七米高的机器能把碳压成钻石——不过这并不是今天的任务。Taniguchi和他的同事Kenji Watanabe今天的任务是用它来种一些物理界最渴求的宝石。
在过去八天里，两块铁砧在1500 °C以及40000倍大气压的压力下不断地捣着液压机内的一些混合粉末。现在，Taniguchi打开了机器，冷却水从它的内部流下。他摘下还滴着水的成品，一段七厘米宽的圆柱，并用刀削去粘着的用于控制温度和压力的金属外层。“最后一步就像做饭一样，”他说，专心地看着他的工具。最后，他拿出一块比顶针大不了多少的钼胶囊。他把它放进虎钳里，并用前臂大小的扳手抓住它。轻轻一拧，胶囊就裂开了，里面迸射出一些粉尘。里面剩下嵌着的是闪耀的、透明的、毫米大小的晶体，这种晶体叫做六方氮化硼（hBN）。
世界上所有的材料实验室都想要Taniguchi和Watanabe在东京外筑波国家材料科学研究所（NIMS）绿树环绕园区内尖端科技实验室里制作的东西。在过去十年里，这对日本研究员一直是世界超纯hBN的第一生产者和供应者，他们免费邮给几百个研究小组。
他们牺牲了许多自己的研究，他们液压机几乎所有的工作时间都用来执行这项任务。但是，他们推动了材料科学中最令人兴奋的研究领域之一的进步：对像石墨烯、单层原子碳这样二维材料中电子行为的研究。这些系统让对某些量子世界最新奇的电子现象有独特见解的物理学家十分兴奋，并且有一天还可能会应用到量子计算和超导体（零电阻）上。
制作石墨烯很简单，只要用胶带从铅笔芯（石墨）上粘下一层就可以了。但为了研究这种材料复杂的电子特性，研究人员需要把它放在一种特殊的表面上——一种绝对平滑，且不会干扰石墨快速运动电子的保护支撑。hBN就是这样一种透明的基底，或者说基座。“就我们所调查的来看，这是最理想的支撑石墨烯或其他二维材料的基底了。”纽约市哥伦比亚大学致密物质物理学家Cory Dean说，他曾是首个研究出如何把hBN和石墨配对团队中的一员。“它完美地保护了石墨不受周边环境的干扰。”
当一片hBN和石墨接触时，它就像保鲜膜一样，让研究人员能够精准地抬起碳片，再把它放回去。这使研究人员能够把二维材料像个三明治那样叠起来。
比如说从去年开始，材料科学家就宣扬着只要把两片石墨烯分开刚好1.1度——一个神奇的角度——放置，该材料就能在极低温度下变成超导体。而在七月，研究人员报告当三片石墨烯叠在一起，没有扭曲时，就有变成超导体的迹象。这些研究就像其他几百个研究一样，都用了Taniguchi和Watanabe的hBN薄片来保护他们的样本。“我们只是参与了而已，”Taniguchi谦虚地说道。“它本来其实是一种副产品。”Dean对两人的hBN更激动：“这真是整个过程的无名英雄，”他说。“它无处不在。”
Taniguchi和Watanabe都不是研究石墨烯的，他们并没想到自己的宝石竟会如此受欢迎。这对研究员现持有几项关于hBN生产过程的专利，但他们表示并不期望它会商业化——目前为止，只有研究小组才需要超高纯度的晶体。不过，有一笔数目客观的补贴。因为凡是用了他们晶体的研究论文都在作者中加上了他们的名字，就这样他们成了世界上出版物最多的研究员。去年，Taniguchi和Watanabe一起出现在了180篇论文的作者名单当中——并且，从2011年起，他们在《科学》和《自然》中合著了52篇论文，这让他们成为了这些杂志上过去八年中最多产的研究员。
他们的晶体王国也许不会永存：Taniguchi就快到退休年龄了，而其他的研究小组正尝试制备高质量的hBN，以此提高供应量并加快研究进度。但就目前为止，物理学家们多少有些不愿意用一些质量未经检验的样品，特别是当他们知道NIMS的样品很好用的时候，马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的一位领先致密物质物理学家Philip Kim说。“为什么选择Watanabe和Taniguchi？因为他们的晶体是最好的。”
压力之下
巨大的液压机位于筑波实验室的一块巨大工业空间里，里面时常传来持续的机器轰鸣声，从房间上方窗户透下来的光线照在下面的设备上，空气中的灰尘清晰可见。这台机器是在1982年到1984年间建造的，当时该实验室还是国家无机材料研究所（NIRIM）的一部分，是NIMS的先驱项目。五年后，Taniguchi放下了东京科技研究所博士后的职位，来到了这个地方。液压机本来是用于生产钻石的，但在二十世纪九十年代，日本政府发起了一项被称为“超越钻石”的研究项目，来寻找在下一个超硬材料中的新星，用于切割材料或半导体当中。
项目中其中一种领先的材料是立方晶体态下一种硼原子和氮原子像钻石中碳原子那样紧密排列的氮化硼（cBN）。一开始，Taniguchi致力于在液压机中种超纯立方氮化硼，但他的团队无法除去杂质，零散的碳和氧在制备样品的时候被掺了进去，所以产出的晶体有沉闷褐色的杂质。然而，过程中产生了纯净的hBN，排列成六边形的原子层可以轻易滑动，就像石墨的碳原子层一样。
Watanabe是一位材料科学家兼光谱学家，于1994年加入NIRIM。那时，超越钻石项目才刚刚启动。他花了几年时间研究钻石的光学特性。但在一种鼓励跨界合作的研究所氛围下，2001年Taniguchi敲响了Watanabe的门，并请他看看自己的cBN晶体。
两位研究员的风格迥然不同。Taniguchi喜欢派对，晚上当他运行液压机的时候都会大声放着皇后乐队的音乐，尽管年到60，他还在午餐时间和同事踢足球。Watanabe比他小三岁，声音柔软，注重细节，喜欢打网球。但他们合作很愉快，并在2002年发表了他们第一篇关于cBN晶体的论文。
一年后，Watanabe觉得Taniguchi给的cBN质量不好，就看了一眼液压机中出来的残渣。hBN吸引了他的注意力，于是他决定要检验一下它们的性质。Taniguchi则持怀疑态度：“我说，‘那只是hBN而已——没什么意思！’”但是，Watanabe有了新的发现：hBN在紫外光下会发光——与他研究了数年的钻石和cBN截然不同。“那是我职业生涯中最令人兴奋的一刻，”他说——这项发现让他接下来兴奋了几个星期。两人在2004年5月发表了这一结果，提出hBN是一种很适用于紫外激光的晶体。
那年晚一些的时候，一份预印本开始在英国曼彻斯特大学的物理学家Andre Geim及他的团队中流传开来。他们成功地分离了单层的石墨烯，开启了原子级超薄二维材料的热潮。Taniguchi和Watanabe怀着好奇的心理观望着这场活动的浪潮。“我们完全不了解二维材料，”Taniguchi说。但五年后，二维材料研究员会弄清楚它到底是啥。
令人目瞪口呆的发现
在2009年，石墨烯领域遇到了问题。从理论上来说，这种材料十分了不起，但研究人员难以察觉它全部的潜力。问题似乎在于，石墨烯作为一种单原子层材料能完美地贴合到任何表面上。这种材料的独特之处就在于它特别平滑，但如果基底并没有那么平滑的话，这种独特之处也发挥不了任何作用。另外，正因为石墨烯如此薄，所以穿过它的电子基本上会与石墨烯所接触的基底接触。也就是说，这要求基底的纯度十分之高：任何杂质都会使电子散射，降低电子的迁移率。标准的氧化硅基底并不达标，并似乎限制了石墨烯的能力。
James Hone是哥伦比亚大学的一名机械工程师，他当时的博士后Cory Dean想出了一种更好的基底：hBN。它的原子层很平，外加它的能带很宽——也就是说，原子轨道内的电子要跃迁到一种移动可导的状态需要巨大的能量。这使hBN成为了一种很好的绝缘体。
纯属巧合，Hone的另一个博士后Changgu Lee以前研究过这种物质。当时，他正研究二维材料的机械和电学性质，并从一家把hBN用于化妆品的商业公司处采购了一些hBN样本；有些眼线笔中hBN的含量高达25%。有一天，这三个人坐在部门大楼外吃三明治，Hone提议Lee给Dean一些他的hBN，这样Dean就可以尝试用它做石墨烯的基底了。Lee很乐意这么做，但是他补充到他已经在一些文献中读到有一种质量更高的选择：由Taniguchi和Watanabe在NIMS生产的更大更纯的hBN晶体。只是有一个问题：他之前联系过他们，但交流无果。Hone建议可以去问问Philip Kim——“石墨烯界最著名的人”，Lee说，同时，当时在哥伦比亚大学的学院同事也可以给他们写一份请求。
这一举动奏效了，Kim、Lee和Dean成为了第一批用NIMS晶体做石墨烯研究的外部使用者。Dean花了整整一年的时间和Andrea Young和Inanc Meric的博士生合作，研究如何把石墨烯和hBN薄片叠在一起。不过实验结果十分令人激动。放置在NIMS六方氮化硼上的石墨烯比放在氧化硅上的石墨烯平了三分之二倍——电子的迁移率也高了10至100倍之多。
2010年4月在马里兰大学，该团队把他们的发现发表在石墨烯周年度会议中——“每个人都瞠目结舌”，Kim说。“那是一场感官盛宴。”一下子，每个人都想知道如何得到hBN——包括Geim，一位同年以石墨烯的研究获得诺贝尔奖的物理学家。他给Kim发了一封邮件，只问了一个问题：“Philip：从哪里可以获得hBN呢？”
Taniguchi和Watanabe一下子被索要样品的询问和请求淹没了。但是，当Kim的竞争对手Geim问他们的时候，他们犹豫着迟迟未回复。“事情可能会变得很复杂，”Taniguchi说。“我们制造晶体——他们发现了它的性质。”他问Kim：我们可以给其他团队供应样品吗——包括他们的直接竞争对手？“当然啦，”Kim说。“一个哥伦比亚大学小小的研究团队不能垄断你们的晶体，”Taniguchi记得他这么说道。
无处不在的合作
今天，Taniguchi和Watanabe同意给世界上210多家机构供货。Taniguchi准备好晶体放在实验室边上的一间办公室里，而成堆的装满不同批次样品的透明塑料盒放在柜台的显微镜旁。Taniguchi现生产的产品批次号是942——他记录中最新的一批，从十多年前就开始了。每袋晶体的总重——装着液压机四次生产的四批不同样品——差不多有一克。但那可以供一整个研究团队用一年。
Taniguchi和Watanabe并没有明确地要求称为论文的合著者，他们称为了得到样品，使用者需和NIMS签署一份材料转移同意书。许多研究员说这两人的合著反映了样品生产者在该领域的重要性。“没有他们的样品，没有他们的加入，我并不认为我们现在所做的事情能够实现，所以他们值得我们分享著作权，”Kim说。
供应程序中最令人讨厌的部分就是文书工作，Watanabe说，“这是个沉重的负担——非常沉重，”他说。NIMS的作者们凡是提交论文，有论文被接受，以及有论文被发表时，都必须把每一篇报告给他们的导师归档。两个人中更年轻更仔细的Watanabe担起了这个任务。他用笔记本电脑上的一个应用查找两个人的论文和预印本，现在这个数目已经超过了700。
在大多数研究中，Taniguchi和Watanabe主要就是提供晶体，并且他们希望可以从那些团队处得到关于晶体质量的反馈。并不是每个人都愿意花时间回复的，Taniguchi失望地说。但他们与最初哥伦比亚大学的团队成员——以及前哥伦比亚大学学生在别处建立实验室组成的二代团队——还保持着真正的合作。“他们在这个过程中是很重要的合作伙伴，”Dean说。“他们从一开始就提供氮化硼，还尝试弄清如何让事情更清晰，并生产了很多我们感兴趣的东西。”
比如说，在2010年石墨烯周的演讲之后，一位Kim实验室里的博士后研究员Pablo Jarillo-Herrero是第一个问日本的这两个研究员要晶体的人。他现在带领剑桥的麻省理工团队，在去年发表了一篇关于双层扭曲石墨烯超导体的报告——一种由两层Taniguchi和Watanabe六方氮化硼保护的结构。当物理学家Rebeca Ribeiro-Palau在2017年从Dean的小组离开，到在法国帕莱索纳米科学纳米技术中心组建她自己的团队时，她立马与日本的两人取得了联系。“在正式建立实验室之前，和他们合作是第一步，”她说。
石墨烯并不是唯一从hBN获益的二维材料，Riberiro-Palau补充道。比如说，一种叫过渡金属二硫化物的多层复杂材料，也被叠在一起，并被扭曲来改变它们的电学特性，这也需要hBN。“这恰恰是你封装这些材料所需要的，为了保护它们，给出不同的性质，改变层距。hBN几乎可以用于所有事，”Ribeiro-Palau说。
hBN在这种装置中的角色似乎不仅限于支撑。根据今年几篇由加州斯坦福大学的David Goldhaber-Gordon和圣巴巴拉加州大学的Andrea Young带领团队发表的几篇预印本，把hBN的六边形结构与一层扭曲的石墨烯对齐可以打破石墨烯片的对称性，改变电子互动的方式。
六方氮化硼自己本身也成为了一种很有意思的二维材料。在红外光下，hBN就像一块超透镜一样：它能把光聚焦到一点上，呈现出比经典物理允许范围内更清晰的图像。并且，它可能是一种能发射出单个光子的材料——这种功能对量子密码学很有用。Watanabe关于这种材料可以用于制作紫外激光的发现仍然受到了不少关注，而他的首要研究目标就是弄清楚其中的机理。
一部分的工作是通过质量较低的hBN样品完成的，比如说在一片薄膜上用化学蒸汽沉淀出的晶体，这样并不需要高压。但对于石墨烯的研究人员，Taniguchi和Watanabe的晶体仍是唯一之选。“这几年，我们尝试了四或五种不同的hBN货源，质量都不佳，”Geim说。短缺的高纯hBN阻碍了全球石墨烯研究的进步，他说。
我们的队伍正赶上来。一个由曼哈顿堪萨斯州立大学化学工程师James Edgar带领的团队的产品质量几乎能与Taniguchi和Watanabe的样品媲美了，Geim提到。Edgar说要复制日本团队的工作并不容易，因为他们有一台巨大巨贵的液压机。但他的样本用了一种更简单更便宜的方法——一个熔炉，氮化硼被源源不断地送入其中，还有粉状的镍-铬溶剂。其样品的质量跟石墨烯研究所需样品的质量“一样或几乎一样好了”，他说。然而，他们现在晶体结构上的缺陷与瑕疵要多上十倍。
Taniguchi个人喜欢对于他们王冠的挑战，和激励彼此种植更纯更完美晶体的感觉。“我们致力于优化我们的系统，”他说，“但我们需要许多合作者——还有竞争者。”
一种有助发展事业的晶体
今年七月，Taniguchi就60岁了——正好是NIMS研究员的退休年龄。这让Kim感到担心。“我告诉他，‘嗨，Takashi，整个二维材料领域都陷入危险了。所以我们应该做点什么！”幸运的是，NIMS给Taniguchi延期了：今年早些时候，他们升他为董事，如此一来他的退休年龄就被延到了65岁。他还没有把手艺传承下去的计划，也没有收徒弟。
现在，他还是一个人使用液压机。在他的实验室，他正准备着下一批编号943的样品，把薄荷糖大小的白色氮化硼圆片装入顶针大小的胶囊中。在那之间，他放了一层氮化钡和其他钡化合物，它们可以顺着氮化硼溶解，作为一种溶剂和催化剂，加快晶体生长并吸收杂质。
Taniguchi对配方很谨慎：这是他的秘密酱汁，他还喜欢改变批次之间的钡层组合。“每次都用一样的配方多没意思，”他说。对于首次使用者，他会寄一些基准晶体，但对一些长期使用者，他想要关于过程每个细节的反馈。通过测量石墨烯中电子的迁移率，他们能探测到hBN中的一些杂质，其灵敏度比Taniguchi和Watanabe的测量方法要高很多。仅在过去两年内，Taniguchi说，他让研究员们开始向他报告一些影响他们实验结果的杂质——一种他们探索材料底线的结果。而这激励Taniguchi提高。“我是个种晶体的人，”他自豪地说。
他爬上液压机平台，蹲在机器的钳口换上新的胶囊。回到控制室：按下几个按钮，较低的铁砧就从地上升起，再击向核心。随着红色的电子距离读数器倒计时，Taniguchi用纸巾擦去控制台上的污渍。
除了几十年用液压机种晶体的工作，这过程背后要解开的物理原理还有很多，他说。当液压机降下时，那个胶囊中发生了什么还是个谜。“没有人知道该怎么测量，怎么思考发生了什么，晶体是怎么被种出来的。只能凭空想象。”
作者：Mark Zastrow
翻译：费哲妮
审校：潘燕婷
引进来源：科学美国人
本文来自：环球科学
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