自石墨烯首次被成功剝離之后，二維材料于儲能、柔性器件、電子學、光子學、生物醫學以及催化等諸多領域均展現出廣泛的應用前景。在可規模化合成二維材料方法中，液相剝離法通過削弱塊狀層狀材料中的范德華力，將原子級薄的材料層分散在液體中，是一種常用的二維材料剝離方法。在液相剝離法中，通常會借助超聲處理以破壞范德華力，此操作易引發分散所得二維納米片的厚度出現較大差異。與此同時，為獲取高產率的單層或少數層二維納米片，諸如球磨、表面活性劑添加以及高功率和高溫機械剝離等策略常被采用，而額外能量的引入與表面活性劑的添加亦會引發污染問題、產生額外缺陷，且所獲二維納米片的橫向尺寸相對較小。

近日，清華大學深圳國際研究生院雷鈺團隊聯合賓夕法尼亞州立大學Mauricio Terrones教授團隊創造性地開發了一種液態金屬鎵（Ga）輔助剝離二維材料的通用方法，該方法能在接近室溫的條件下有效地從塊狀材料中剝離二維材料，且不會引入額外的缺陷。將熔融態的鎵與層狀材料粉末通過磁力攪拌器進行溫和混合，借助液態金屬于二維層間的插層作用，實現層間距的擴大并引發剝離過程。此外，鎵的流體特性和三氧化二鎵（Ga?O?）的黏附特性使得磁力攪拌產生的溫和剪切力能夠從塊狀晶體上剝離出二維層。這種雙重效應形成了一種通用的方法，可用于剝離多種二維材料（石墨烯、碲化鉬（MoTe?）、硒化鉬（MoSe?）、硒化鎢（WSe?）、硫化鉬（MoS?）、硫化鎢（WS?）、硒化鈮（NbSe?）、六方氮化硼（h-BN）和蛭石）。針對不同的應用，所剝離的二維納米片的晶體質量可以通過塊狀晶體的缺陷水平得到很好的控制。通過使用高晶體質量的六方氮化硼，所剝離的六方氮化硼納米片（BNNS）展現出巨大的磁雙折射效應，其Cotton - Mouton系數高達2.9×10? T?2 m?1，此特性使其適宜用作穩定的基于雙折射原理的調制器。還證明了通過在塊狀硫化鉬中采用冷凍球磨引入擴展空位，所剝離的多缺陷硫化鉬納米片作為析氫反應（HER）催化劑時，其催化活性顯著提高。

圖2 液態金屬輔助剝離過程及普適性

相關成果以“液態金屬輔助剝離二維材料”(Two-dimensional Nanosheets by Liquid Metal Exfoliation)為題發表于《Advanced Materials》。論文通訊作者為清華大學深圳國際研究生院雷鈺助理教授和賓夕法尼亞州立大學Mauricio Terrones教授，第一作者為清華大學深圳國際研究生院2023級博士生白一超，合作作者包括清華大學深圳國際研究生院的康飛宇教授、劉碧錄教授、汪鴻章助理教授等，美國倫斯勒理工學院的Humberto Terrones教授及加拿大康考迪亞大學的George Bepete助理教授等。

此外在二維材料的生物應用領域，該團隊還開發了一種單原子V摻雜MoS?（V-MoS?）的電化學傳感器。V-MoS?中的V單原子催化位點（SAC）可以更好地與單胺小分子結合，從而實現高選擇性實時檢測人工胃/腸液中的血清素（5-HT）。V-SAC 與 MoS?表面S鍵的協同效應使得 5-HT 的檢測范圍極廣（從 1 pM 到 100 μM），同時具有優秀的選擇性和抗干擾性。結合密度泛函理論計算和掃描透射電子顯微鏡的結果，可以得出結論：嵌入 MoS?的 V-SAC活性位點極大地促進了材料與 5-HT 分子之間的電荷交換。這一結果為腸腦軸GBA 研究中的 5-HT 檢測提供了更強有力的工具，而利用缺陷工程材料的可調性則為實現 GBA 中其他單胺類神經遞質（如多巴胺和去甲腎上腺素）的實時和多組分檢測提供了一個通用平臺。

圖3 V-MoS?檢測腸腦軸中單胺類神經遞質

該研究工作以“V-MoS?實現pM級腸腦軸神經遞質檢測”(Vanadium Single Atoms Embedded in MoS? Enabled Gut-Brain Axis Neurotransmitter Detection at pM Levels)為題發表于《Small》。論文通訊作者為清華大學深圳國際研究生院康飛宇教授、雷鈺助理教授和賓夕法尼亞州立大學Mauricio Terrones教授，第一作者為清華大學深圳國際研究生院2024級博士生孫藺萱。這些研究得到國家自然科學基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創委等部門的支持。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202416375
https://doi.org/10.1002/small.202307410