剛（gāng）性石墨烯的另一麵：越彎曲，越柔軟！

剛性石墨烯的另一麵：越彎曲，越柔軟！

彎曲後的雙層石（shí）墨烯。


自（zì）石墨烯誕生以來，其彎曲問題（tí）始終（zhōng）困（kùn）擾著科學家（jiā）們。美國伊利諾伊大學的工程師們通過結合原子尺（chǐ）度的實驗和計算機建模技術，確定了彎曲（qǔ）多層石墨烯耗費的能量。相關研究成果發布於《自然·材料》雜誌。

石墨烯是（shì）世界上最（zuì）堅固的（de）材（cái）料之一，兼具了超薄和柔（róu）韌的特（tè）性。石墨烯（xī）材料被認為（wéi）是推動未來技術發展的關鍵之一。研究人員表示（shì），不論是生產可伸縮電子產品，還是製（zhì）造肉眼不可見的微型機器人，工程（chéng）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（néng）充分發揮它們的潛力。材料科學（xué）與工程（chéng）研究生、論文作者Edmund Han說：“抗彎（wān）曲剛（gāng）度是材料的基本力學特性之一。盡管我們（men）研（yán）究石墨烯的時間已經長達20餘年，但我們仍然對這個基本性質不甚了解。其最根本的（de）原因在（zài）於，對同樣的石（shí）墨烯，不（bú）同的研究團隊（duì）可能會得出跨越數量級的答案。”

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

為了製造出（chū）可彎（wān）曲石墨烯，Yu將另一種二維材料——氮（dàn）化硼製（zhì）成了原子級台階，然後在其上方覆蓋（gài）石墨烯。這（zhè）種“台階覆蓋（gài）”方法，使研究人員得以精確地控製石墨烯材料的（de）彎曲程度（dù）。Han用聚焦離子束切下一片材料，然後用電（diàn）子顯微鏡觀察了每一層石墨烯的位置（zhì）。隨後，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（xī）受（shòu）到兩種力的作用。第一種是原（yuán）子對表麵的吸附力，它是對材料的拉力。另一種是回彈（dàn）力，它（tā）是材料自身應對拉力（lì）的對抗力。”計算機建模（mó）部分負責人Elif Ertekin教授說：“我們觀測（cè）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於層間滑動。”

研究人員認為，新結論對製造體積（jī）小、柔韌度高、能與細胞（bāo）和（hé）生物材料相互作用的裝置有啟（qǐ）發意義。van der Zande展（zhǎn）望說：“細胞可以改變形狀，並響應環境刺激。如（rú）果我（wǒ）們想要開發出（chū）具有生物係（xì）統功能（néng）的微型機器人，那就（jiù）必須先攻克電子係統柔軟（ruǎn）化的（de）難題。我們發現，多層石墨烯中由於（yú）存在層間（jiān）滑移現象，其柔軟性比同等（děng）厚度的傳統材料（liào）高若幹數量級。”