剛性石墨烯的另一面：越彎曲，越柔軟

剛性石墨烯的另一面：越彎曲，越柔軟

彎曲后的雙層石墨烯。


自石墨烯誕生以來，其彎曲問題始終困擾著科學家們。美國伊利諾伊大學的工程師們通過結合原子尺度的實驗和計算機建模技術，確定了彎曲多層石墨烯耗費的能量。相關研究成果發布于《自然·材料》雜志。

石墨烯是世界上最堅固的材料之一，兼具了超薄和柔韌的特性。石墨烯材料被認為是推動未來技術發展的關鍵之一。研究人員表示，不論是生產可伸縮電子產品，還是制造肉眼不可見的微型機器人，工程師們都需要對石墨烯的力學原理（如屈服和彎曲）“了若指掌”，這樣才能充分發揮它們的潛力。材料科學與工程研究生、論文作者Edmund Han說：“抗彎曲剛度是材料的基本力學特性之一。盡管我們研究石墨烯的時間已經長達20余年，但我們仍然對這個基本性質不甚了解。其最根本的原因在于，對同樣的石墨烯，不同的研究團隊可能會得出跨越數量級的答案。”

Han所在的研究團隊找到了研究結果不一致的原因。機械科學與工程研究生、論文作者Jaehyung Yu說：“此前，工程師們在研究石墨烯的彎曲問題時，標準并不統一。我們發現，石墨烯在‘稍微彎曲’和‘強烈彎曲’兩種情況下的表現是截然不同的。稍微彎曲石墨烯，它會表現得像一塊硬板。而強烈彎曲時，石墨烯原子層發生相對滑動，表現出柔韌性。”論文作者、Arend van der Zande補充說：“我們的研究結果表明，盡管每個團隊的結論不同，但他們都是正確的。我們建立的模型，通過展示石墨烯力學性能與彎曲程度之間的關系，解決了分歧。”

為了制造出可彎曲石墨烯，Yu將另一種二維材料——氮化硼制成了原子級臺階，然后在其上方覆蓋石墨烯。這種“臺階覆蓋”方法，使研究人員得以精確地控制石墨烯材料的彎曲程度。Han用聚焦離子束切下一片材料，然后用電子顯微鏡觀察了每一層石墨烯的位置。隨后，研究人員用建模方法分析了石墨烯的彎曲剛度。論文作者Pinshane Huang說：“實驗中，彎曲石墨烯受到兩種力的作用。第一種是原子對表面的吸附力，它是對材料的拉力。另一種是回彈力，它是材料自身應對拉力的對抗力。”計算機建模部分負責人Elif Ertekin教授說：“我們觀測到了石墨烯在彎曲時，從剛性到柔性的轉變。原子尺度的建模，可以證實轉變驅動力來自于層間滑動。”

研究人員認為，新結論對制造體積小、柔韌度高、能與細胞和生物材料相互作用的裝置有啟發意義。van der Zande展望說：“細胞可以改變形狀，并響應環境刺激。如果我們想要開發出具有生物系統功能的微型機器人，那就必須先攻克電子系統柔軟化的難題。我們發現，多層石墨烯中由于存在層間滑移現象，其柔軟性比同等厚度的傳統材料高若干數量級。”