硼烯是指由硼元素构成的二维平面结构，独特的二维六角蜂窝状结构赋予其保罗·狄拉克锥的能带结构和新奇量子效应。

但理论计算表明，由于电子的缺失，自由状态下蜂窝状硼烯并不能稳定存在。

硼烯是一种单原子厚的硼薄片，是由硼原子构成的单原子层厚的二维材料，比石墨烯更强、更轻、更柔韧，被科学界寄予厚望，或将成为继石墨烯之后又一种“神奇纳米材料”，有望给电池、电子产品、传感器、太阳能电池和量子计算带来革命性的变化。

然而，单原子层硼烯的合成是具有挑战性的。石墨烯可以使用像透明胶带这样简单的东西从固有的层状石墨中剥离，而硼烯不能仅从块状硼中剥离，取而代之的是，要获得硼烯通常需要制备生长，因此需要衬底作为载体或者支撑。

5年前，来自同一研究团队的科学家们首次创造了只有单原子厚度的硼烯。理论研究预测认为，制备双层硼烯是可能的，但这项研究的联合资深作者、西北大学的马克·赫萨姆说：“理论很少告诉你实现这种新结构所需的综合条件。”

如果生长单层硼烯都很困难，那么生长多层原子平面结构的硼烯似乎是不可能的。由于块状硼不像石墨那样是层状的，超出单原子层的生长会导致形成团簇，而不是平面结构。研究人员称，试图生长多层硼烯的关键就在于找到阻止团簇形成的生长条件。

研究团队发现，正确条件的关键是用来生长硼烯的衬底。在这项研究中，研究人员在平面的银质衬底上培养了硼烯。当暴露在非常高的温度下时，银会在原子级台阶结构之间形成异常平坦的“梯田”。

当在这些巨大而平坦的“梯田”上“种植”硼烯时，研究人员看到了第二层的形成。这种双层材料既保持了硼烯所有理想的电子性能，又存在新的优点。例如，这种材料由两层原子层厚的薄片黏合在一起，中间有空间，可用来储存能量或化学物质。

“有理论预测，双层硼烯是一种很有前途的电池材料。”赫萨姆说，“层与层之间的空间提供了容纳锂离子的地方。”

研究团队希望继续生产更厚的硼烯，或者创造出具有不同原子几何结构的双层硼烯。

石墨烯是一种呈蜂巢状排列的单层碳结构，是目前已知的最薄、最坚硬的纳米材料。继石墨烯之后，科学家希望找到更多具有优良特性的二维材料。元素硼因是碳的“近邻”而成为首要目标。然而，被称为石墨烯“兄弟”的硼烯并非自然存在，只能人工合成。科学家对硼烯的理论结构预测已逾10年之久，但从未成功合成。即便有个别的薄膜等样品，其结构也是异常复杂。因此，硼烯的制备成为国际凝聚态物理及材料物理界公认的世界难题。

2014年，南开大学物理学院周向锋教授、王慧田教授和纽约州立大学石溪分校奥甘诺夫教授等基于进化算法结合第一性原理计算，预测了一个独特的二维硼结构。该研究进一步激发了实验学家挑战合成硼烯的兴趣。2015年12月，美国阿贡国家实验室、中国南开大学、纽约州立大学和西北大学（埃文斯顿）等研究单位合作，利用高真空原子溅射的方法，首次在银的表面成功生长出褶皱的单原子层硼烯。联合团队获得的实验结果与理论模型几乎完全符合。南开大学团队承担了该研究的理论计算工作。

2021年8月26日，发表在《自然·材料》杂志上的最新研究，美国西北大学工程师首次创造出一种双层原子厚度的硼烯，打破了硼在单原子层限制之外形成非平面团簇的自然趋势。

硼烯因其优越的电学、力学、热学属性，被科学界寄予厚望，或将成为继石墨烯之后又一种“神奇纳米材料”。

硼烯具有非常丰富的晶体结构和电子性质，理论预测可以存在的硼单层膜结构有很多，目前为止只发现其中的两种。通过制备出更多种类的硼烯，有希望从中发现一些具有奇异电子性质的结构，例如理论预测中具有保罗·狄拉克锥的能带结构或者具有超导特性的硼烯等。体相的硼单质是非金属性的，而理论计算中单原子层的硼烯薄膜却都是金属性的。日本东京大学冯宝杰等人利用角分辨光电子能谱研究了这种硼烯薄膜，观察到了费米面处的电子pocket和空穴pocket结构，进一步验证了其金属特性。

硼烯材料具有优越的各向异性的电导性质和罕见的“负泊松比”现象。所谓“各向异性电导”是指由于硼烯的原子排列结构使得其表面呈现出“褶皱”，而这样的结构决定了硼烯导电属性具有方向性。而水平拉伸导致垂直方向膨胀的“负泊松比”现象也令硼烯的应用更加多样化。

硼烯还有可能成为超导体。美国Rice大学Boris Yakobson等人通过理论计算发现，在金属衬底上制备出的几种稳定的单层硼烯结构有可能具有以声子为媒介的超导特性，其超导转变温度预计在10-20K之间。清华大学倪军教授研究组也通过计算预言了带翘曲结构的双层硼烯薄膜有超导的可能性，其中8-C2/m-II结构的硼烯的超导转变温度可以达到27.6K。2017年，日本东京大学Matsuda研究组用高分辨电子能量损失谱(ARPES)测量，意外发现β相硼烯中存在有Dirac费米子。研究结果表明，β相硼烯中有一些硼原子对费米面附近电子态贡献很小，而有贡献的原子晶格类似于蜂窝状结构，因此可以存在Dirac电子态。这个发现意味着硼烯中可能存在更有意思的量子效应和令人期待的应用前景。

硼烯的化学性质相对稳定，有可能在大气环境下存在，有助于克服硅烯、磷烯等易被氧化不稳定的缺点，在纳米器件方面具有潜在的应用价值。硼烯较短的键长也会使其具有较好的机械性能。对于硼烯的研究才刚刚开始，随着对其研究的逐渐深入，硼烯所具有的神奇原子结构和奇特物理性质将进一步被人们所了解，为将来硼烯的应用提供可能。