2026年9月10日——由物理学家Jani Kotakoski领导的维也纳大学研究团队展示了一种方法，可在原子层面精确控制六方氮化硼——石墨烯的电绝缘对应物，也被称为“白色石墨烯”——中纳米孔的形状。超高真空中的电子辐照会形成圆形孔，而加入少量氧气则会产生三角形孔。这项发表于《Nature Communications》的纳米孔工程因此为过滤、DNA测序、催化和量子技术解锁了新应用。

二维六方氮化硼（hBN）是一种由单层原子构成的绝缘材料。它形成稳定屏障，也可用于保护其他二维材料（如石墨烯）免受环境影响。创建仅几个原子宽的孔会使该屏障具有渗透性，从而形成允许分子或离子通过的纳米多孔膜。此类膜可用于过滤物质，或在DNA穿过纳米孔时对其进行分析。在这种尺度下，孔的精确形状以及沿其边缘排列的原子会影响它与经过分子之间的相互作用方式。同时，由于尺寸很小，这些孔具有量子力学性质，使其可用于催化和量子应用。

电子既能成像也能改变原子结构

创建这种微小孔的一种方法是使用透射电子显微镜的电子束：用于将二维材料成像到单个原子的同种电子，也能将原子从材料中击出。随着持续辐照，这些缺陷会扩展成纳米孔。近二十年来，人们已知对hBN进行电子辐照会产生三角形孔。其形状通常被归因于硼原子和氮原子被移位难易程度不同。“我们首次表明，孔的形状并非仅由电子造成，而是受到样品周围气氛的影响，”该研究第一作者、维也纳大学物理学院Kotakoski课题组的博士生Umair Javed说。

化学与物理之间的相互作用

电子显微镜在真空下运行，但通常仍含有残留气体分子。维也纳团队使用了一台真空度极好、并能向样品环境中引入选定气体的显微镜。这使他们能够研究当电子束几乎单独作用于hBN时会发生什么，以及加入气体后会发生哪些变化。在超高真空下，电子束以大致相同的速率移除硼原子和氮原子，从而形成圆形孔。加入氮几乎没有影响。然而，只要有少量氧气存在，硼原子就会更容易被移除，并出现边缘以氮原子终结的三角形孔。仅有氧气还不够：结果表明，电子束会将氧分子分解为能够化学侵蚀该材料的活性物种。因此，孔的形状源于物理与化学之间的竞争：用高能电子“钻孔”有利于形成圆形孔，而氧介导的化学蚀刻则有利于形成三角形孔。通过调节电子辐照期间的气氛，研究人员可以控制形成哪种孔形状。

迈向进一步控制

“这极其令人兴奋，”资深作者Jani Kotakoski说。“我们预计会找到类似方法来控制其他材料中的孔形状，或许还能在六方氮化硼中制造出不同形状。”这种控制有助于为从水过滤到催化和量子技术等应用定制原子级精确结构。该研究是奥地利科学基金（FWF）卓越集群“能源转换与存储材料”的一部分，Kotakoski课题组旨在利用这种方法创建新的催化活性结构。