Gli ioni calcio sono presenti nelle rocce, ossatura, conchiglie, biominerali, depositi geologici, sedimenti oceanici, e molti altri materiali importanti. Gli ioni calcio svolgono anche un ruolo importante nella ritenzione di anidride carbonica nelle acque naturali, durezza dell'acqua, trasduzione del segnale e generazione di tessuti. Come uno dei metalli alcalino-terrosi, l'atomo di calcio ha due elettroni di valenza secondo la regola dell'ottetto. Fino ad ora, l'unico stato di valenza noto degli ioni calcio in condizioni ambientali è +2, e i corrispondenti cristalli con ioni calcio sono isolanti.

Utilizzando la microscopia crioelettronica, gli scienziati hanno riportato l'osservazione diretta di cristalli di CaCl bidimensionali (2-D) su membrane di ossido di grafene ridotto (rGO) in condizioni ambientali, che esibiscono solo ioni calcio monovalenti (cioè +1). Sorprendentemente, proprietà metalliche piuttosto che isolanti sono mostrate da quei cristalli di CaCl 2-D, e più interessante, ferromagnetismo a temperatura ambiente, risultante eterogiunzione grafene-CaCl, coesistenza di piezoelettricità e metallicità, insieme alla distinta capacità di stoccaggio e rilascio di idrogeno in condizioni ambientali sono dimostrati sperimentalmente.

Va notato che convenzionalmente, i materiali metallici generalmente non mostrano una piezoelettricità. Tale comportamento inaspettato simile alla piezoelettricità dei cristalli metallici di CaCl è indotto dalla struttura anormale di CaCl 2-D che la struttura è metallica a causa del comportamento monovalente degli ioni Ca da un lato, e dall'altro la struttura ha due elementi (Ca e Cl) con effetti elettrici diversi sotto sforzo di compressione o trazione. Perciò, i cristalli 2-D CaCl sono un nuovo materiale che ha sia carattere metallico che proprietà piezoelettriche, e avrà nuove applicazioni come transistor fino alla scala atomica e nei dispositivi a nanotransistor.

Per quanto ne sappiamo, Il ferromagnetismo a temperatura ambiente non è mai stato osservato per un elemento metallico del gruppo principale. Lo studio teorico rivela che la possibile origine di tale ferromagnetismo a temperatura ambiente sono gli effetti di bordo o difetto dei cristalli di CaCl, dove c'è un elettrone di valenza spaiato in Ca+, quindi ci si aspetta che ogni elemento metallico abbia ferromagnetismo a temperatura ambiente formando i corrispondenti cristalli 2-D anormali.

Studi teorici mostrano che la formazione di tali cristalli anormali è attribuita alle forti interazioni catione-π dei cationi Ca con gli anelli aromatici nelle superfici del grafene. Poiché esistono forti interazioni catione-π anche tra altri cationi metallici (come Mg ²⁺ , Fe ²⁺ , Co ²⁺ , Cu ²⁺ , Cd ²⁺ , Cr ²⁺ e Pb ²⁺ ) e superfici grafitiche, sono attesi cristalli simili con valenza anormale di altri cationi metallici.

Questi risultati non solo presentano una svolta nei cristalli 2-D con un rapporto anomalo catione-anione, nuova valenza dei cationi, e conducibilità inaspettata, ma anche fornire opere seminali in materia, biologico, applicazioni chimiche e fisiche. Le proprietà e i comportamenti dei cristalli 2-D si rompono con la conoscenza generale di questo elemento ampiamente distribuito nella vita quotidiana, e attireranno sicuramente l'attenzione e la pronta riflessione sulle sue entusiasmanti applicazioni in vari campi.

Queste proprietà e comportamenti dei cristalli 2-D amplieranno notevolmente anche le applicazioni per il grafene funzionalizzato. Ulteriore, considerando l'ampia distribuzione di cationi metallici e carbonio sulla terra, tali composti "speciali" su scala nanometrica con proprietà precedentemente non riconosciute possono essere onnipresenti in natura.