几代人的思想都受到了乐高积木的启发，这种小型的、卡扣式塑料积木。这些积木变成了梦幻般的汽车、精美的城堡和许多其他整体作品，这些作品大于其各部分的总和。今天，新一代材料科学家正受到一种新型乐高积木的启发：原子尺度上的构建模块。
这些新的构建元素是可以薄至只有一个原子的材料薄片，并且可以按照设计的精确顺序堆叠在一起。这种前所未有的精细构造控制可以产生以前无法创造的具有电气和光学特性的物质。它们正在使科学家们能够想象用电阻极小地导电的材料制成的设备、更快更强大的计算机，以及可以弯曲、折叠且极其轻便的可穿戴电子产品。
这项突破是在石墨烯被创造出来之后实现的，石墨烯是我和我在英国曼彻斯特大学的同事于2004年从块状石墨中分离出来的一层碳原子单层。我们用胶带从石墨块的顶部剥离原子深度的层，制成了这种由重复的六边形晶体组成的薄片——原子结构看起来有点像鸡笼网。在过去的10年中，研究人员发现了其他几十种可以以这种方式剥离的块状晶体，而且它们的数量还在迅速增长。云母就是一个例子，具有奇异名称的材料也是如此，例如六方氮化硼和二硫化钼。
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这些晶体层被认为是二维的，因为对于任何材料而言，单个原子是可能的最小厚度。（也可以使用稍厚的、三到四个原子的晶体。）它们的其他尺寸，宽度和长度，可以更大，具体取决于制造者的意愿。在过去的几年中，二维晶体已成为材料科学和固态物理学中的热门话题，因为它们表现出许多独特的特性。
我们可以以非常稳定的方式堆叠这些层。它们不会以传统方式结合在一起——例如，使用共享电子的共价键。但是，当原子彼此靠近时，它们会通过一种称为范德华力的弱吸引力相互吸引。这种力通常不足以将原子和分子结合在一起，但是由于这些二维薄片原子密度如此之高，并且彼此如此靠近，因此累积力变得非常强大。
为了理解这种材料工程所提供的诱人可能性，请考虑室温超导性。在无需几乎难以想象的低温来包围设备的情况下，以零能量损耗传输电力的想法一直是科学家们几代人的目标。如果找到了可以做到这一点的材料，那么对我们文明的影响将是深远的。人们普遍认为，原则上可以实现这一目标，但没有人知道如何实现。今天，可以使材料超导的最高温度低于零下100摄氏度。在过去二十年中，提高此限制的进展甚微。
我们最近了解到，一些由氧化物制成的超导体——氧化物是至少含有一个氧原子以及另一种元素的化合物——可以按照我描述的方式分解成单独的层。如果我们以另一种顺序将它们重新组装回去，并在其间插入额外的晶面会怎样？我们已经知道，氧化物中的超导性取决于层间分离，并且在晶面之间添加额外的层可以将一些导电性差甚至绝缘的材料变成超导体。
这个想法尚未完全得到检验，主要是因为制造原子尺度乐高材料的技术仍处于起步阶段。实际上，组装复杂的多层结构很困难。目前，这些结构很少包含超过五个不同的层，并且它们通常仅使用两到三种不同的乐高积木——主要是石墨烯，与绝缘氮化硼和半导体材料（如二硫化钼和二硒化钨）的二维晶体结合使用。由于堆叠体具有多种材料，因此通常被称为异质结构。它们目前的尺寸很小——通常只有约10微米的宽度和长度，小于人类头发横截面的宽度。
使用这些堆叠体，我们可以进行实验，以寻找新颖的电气或光学特性和新的应用。一个有趣的方面：尽管这些薄片很薄，但它们也相当灵活和透明。这为开发可以以各种方式成形的发光设备提供了机会，例如可以根据用户需要更大尺寸而折叠和展开的显示屏。使用效率更高的计算机芯片也是可能的。
如果研究人员在对这些结构的研究中发现了一些重要的东西，我们相信有可能将该技术扩大到工业用途。石墨烯和其他一些二维晶体已经发生了这种情况：最初，它们是几个微米大小的微小微晶，但现在可以制造成数百平方米的薄片。
尚未报道任何“杀手级应用”。然而，该领域的进展正在科学界引起强烈的兴奋。人类的进步始终与新材料的发现密切相关。这些发现是石器时代到青铜时代到铁器时代到硅器时代转变的幕后推手。纳米级乐高积木代表了以前从未创造过的东西。目前，可能性似乎是无限的。