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(xué)家們。美國伊利諾伊大學(xué)的工程師們通過結(jié)合原子尺度的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)建模技術(shù)，確定了彎曲多層石墨烯耗費(fèi)的能量。相關(guān)研究成果發(fā)布于《自然·材料》雜志。

石墨烯是世界上最堅(jiān)固的材料之一，兼具了超薄和柔韌的特性。石墨烯材料被認(rèn)為是推動(dòng)未來技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。研究人員表示，不論是生產(chǎn)可伸縮電子產(chǎn)品，還是制造肉眼不可見的微型機(jī)器人，工程師們都需要對石墨烯的力學(xué)原理（如屈服和彎曲）“了若指掌”，這樣才能充分發(fā)揮它們的潛力。材料科學(xué)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(xué)特性之一。盡管我們研究石墨烯的時(shí)間已經(jīng)長達(dá)20余年，但我們?nèi)匀粚@個(gè)基本性質(zhì)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(tuán)隊(duì)可能會(huì)得出跨越數(shù)量級的答案。”

Han所在的研究團(tuán)隊(duì)找到了研究結(jié)果不一致的原因。機(jī)械科學(xué)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(shí)，標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一。我們發(fā)現(xiàn)，石墨烯在‘稍微彎曲’和‘強(qiáng)烈彎曲’兩種情況下的表現(xiàn)是截然不同的。稍微彎曲石墨烯，它會(huì)表現(xiàn)得像一塊硬板。而強(qiáng)烈彎曲時(shí)，石墨烯原子層發(fā)生相對滑動(dòng)，表現(xiàn)出柔韌性。”論文作者、Arend van der Zande補(bǔ)充說：“我們的研究結(jié)果表明，盡管每個(gè)團(tuán)隊(duì)的結(jié)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(xué)性能與彎曲程度之間的關(guān)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(shí)驗(yàn)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(yīng)對拉力的對抗力。”計(jì)算機(jī)建模部分負(fù)責(zé)人Elif Ertekin教授說：“我們觀測到了石墨烯在彎曲時(shí)，從剛性到柔性的轉(zhuǎn)變。原子尺度的建模，可以證實(shí)轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力來自于層間滑動(dòng)。”

研究人員認(rèn)為，新結(jié)論對制造體積小、柔韌度高、能與細(xì)胞和生物材料相互作用的裝置有啟發(fā)意義。van der Zande展望說：“細(xì)胞可以改變形狀，并響應(yīng)環(huán)境刺激。如果我們想要開發(fā)出具有生物系統(tǒng)功能的微型機(jī)器人，那就必須先攻克電子系統(tǒng)柔軟化的難題。我們發(fā)現(xiàn)，多層石墨烯中由于存在層間滑移現(xiàn)象，其柔軟性比同等厚度的傳統(tǒng)材料高若干數(shù)量級。”