《Nature》子刊:刚性石墨烯的另一面:越弯曲,越柔软!

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弯曲后的双层石墨烯。


自石墨烯诞生以来,其弯曲问题始终困扰着科学家们。美国伊利诺伊大学的工程师们通过结合原子尺度的实验和计算机建模技术,确定了弯曲多层石墨烯耗费的能量。相关研究成果发布于《自然·材料》杂志。

石墨烯是世界上最坚固的材料之一,兼具了超薄和柔韧的特性。石墨烯材料被认为是推动未来技术发展的关键之一。研究人员表示,不论是生产可伸缩电子产品,还是制造肉眼不可见的微型机器人,工程师们都需要对石墨烯的力学原理(如屈服和弯曲)“了若指掌”,这样才能充分发挥它们的潜力。材料科学与工程研究生、论文作者Edmund Han说:“抗弯曲刚度是材料的基本力学特性之一。尽管我们研究石墨烯的时间已经长达20余年,但我们仍然对这个基本性质不甚了解。其最根本的原因在于,对同样的石墨烯,不同的研究团队可能会得出跨越数量级的答案。

Han所在的研究团队找到了研究结果不一致的原因。机械科学与工程研究生、论文作者Jaehyung Yu说:“此前,工程师们在研究石墨烯的弯曲问题时,标准并不统一。我们发现,石墨烯在‘稍微弯曲’和‘强烈弯曲’两种情况下的表现是截然不同的。稍微弯曲石墨烯,它会表现得像一块硬板。而强烈弯曲时,石墨烯原子层发生相对滑动,表现出柔韧性。”论文作者、Arend van der Zande补充说:“我们的研究结果表明,尽管每个团队的结论不同,但他们都是正确的。我们建立的模型,通过展示石墨烯力学性能与弯曲程度之间的关系,解决了分歧。

为了制造出可弯曲石墨烯,Yu将另一种二维材料——氮化硼制成了原子级台阶,然后在其上方覆盖石墨烯。这种“台阶覆盖”方法,使研究人员得以精确地控制石墨烯材料的弯曲程度。Han用聚焦离子束切下一片材料,然后用电子显微镜观察了每一层石墨烯的位置。随后,研究人员用建模方法分析了石墨烯的弯曲刚度。论文作者Pinshane Huang说:“实验中,弯曲石墨烯受到两种力的作用。第一种是原子对表面的吸附力,它是对材料的拉力。另一种是回弹力,它是材料自身应对拉力的对抗力。”计算机建模部分负责人Elif Ertekin教授说:“我们观测到了石墨烯在弯曲时,从刚性到柔性的转变。原子尺度的建模,可以证实转变驱动力来自于层间滑动。

研究人员认为,新结论对制造体积小、柔韧度高、能与细胞和生物材料相互作用的装置有启发意义。van der Zande展望说:“细胞可以改变形状,并响应环境刺激。如果我们想要开发出具有生物系统功能的微型机器人,那就必须先攻克电子系统柔软化的难题。我们发现,多层石墨烯中由于存在层间滑移现象,其柔软性比同等厚度的传统材料高若干数量级。

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