剛性石墨烯的另一麵：越彎（wān）曲（qǔ），越柔（róu）軟

剛性石墨烯的另一麵：越彎曲，越柔軟

彎曲後的雙層石墨烯。


自（zì）石墨烯誕生以來，其彎曲問題始終困擾著（zhe）科學家們。美國伊利（lì）諾伊大學的工程師們通（tōng）過結合原子尺度（dù）的實驗和計算機建模技（jì）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。

石墨烯是世界（jiè）上最堅固的材料之一，兼具了（le）超薄和柔韌的特性。石墨烯材料被（bèi）認為是推動未來技術發展（zhǎn）的（de）關鍵之一。研究人員（yuán）表示，不論（lùn）是生產可伸縮電子產品，還是製造肉（ròu）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（chōng）分（fèn）發揮它（tā）們的潛力。材料（liào）科學與工（gōng）程（chéng）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（xìng）之一。盡管（guǎn）我（wǒ）們研（yán）究石（shí）墨烯的時間已經長達20餘年，但我們仍然對（duì）這個基本性質不甚了解。其最根本的原因在於（yú），對同樣的石墨烯，不同的研究團隊可能會得（dé）出跨越數量級（jí）的答案。”

Han所在的研究團（tuán）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（shī）們在（zài）研究石墨（mò）烯的彎曲問題時，標準並不統一。我們發現，石墨烯在‘稍（shāo）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（tā）會表現（xiàn）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（chōng）說：“我們的研究結果表明（míng），盡管每（měi）個團隊的結（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性能與彎曲程度之間（jiān）的關係（xì），解決了分歧。”

為了製造出可彎曲石墨烯，Yu將另一種二維材料——氮化硼（péng）製成了原子（zǐ）級台階，然（rán）後在其上方覆蓋石墨烯。這（zhè）種“台階覆蓋”方法，使研究（jiū）人（rén）員得以精確地（dì）控製石（shí）墨烯材料的彎曲程度。Han用聚焦（jiāo）離（lí）子束切下一片材料，然後用電子顯微鏡觀察了每一層石墨烯的位置。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（shuō）：“實（shí）驗中，彎（wān）曲石墨（mò）烯受到兩種力的作用。第一種是原子對（duì）表麵的吸（xī）附力（lì），它是對材（cái）料的拉力（lì）。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（mó），可以證實（shí）轉變驅動力來自於層間滑（huá）動。”

研究人員認為，新結論對製造體積（jī）小、柔韌度高、能與細胞和生物材料相互作用的裝置有啟發意義（yì）。van der Zande展（zhǎn）望說：“細（xì）胞可以改（gǎi）變形狀（zhuàng），並響應環境刺激。如果我們想要開發出具有生物係統功能的微型機器人，那（nà）就必須先攻克電子係統柔軟化的難題。我們發現，多層（céng）石墨烯中由於存在（zài）層間滑移現象，其柔軟性比同等（děng）厚度的傳統材料高若幹數量級。”