伊利诺斯大学的工程师们的一项新研究将原子尺度的实验与计算机模型结合起来，以确定弯曲多层石墨烯需要多少能量——自从石墨烯首次被分离以来，这个问题一直困扰着科学家们。这项发现发表在2019年11月11日的《自然材料》杂志上。

 

研究人员说，石墨烯——一种排列在晶格中的单层碳原子——是世界上最坚固的材料，薄到可以弯曲。它被认为是未来技术的关键组成部分之一。

 

这项工作令人兴奋的地方在于，它表明，尽管每个人都不同意，但他们实际上都是正确的。——阿伦德·范德阿赞德，机械科学与工程教授

 

目前对石墨烯的大部分研究都以纳米级电子器件的发展为目标。然而，研究人员说，许多技术——从可伸缩的电子器件到肉眼看不到的微型机器人——都需要理解石墨烯的力学，特别是它是如何弯曲和弯曲的，才能发挥它们的潜力。

 

“材料的抗弯刚度是其最基本的力学性能之一，”埃德蒙·韩说，他是材料科学与工程专业的研究生，也是这项研究的合著者。“尽管我们已经研究石墨烯20年了，但我们还没有解决这个非常基本的性质。原因是不同的研究小组得出了不同的答案，而且这些答案在不同的数量级上存在差异。”天富平台登录

弯曲多层石墨烯所需的能量

 

研究生Edmund Han(左)、Elif Ertekin教授、研究生Jaehyung Yu、Pinshane Y. Huang教授、front和Arend M. van der Zande教授已经确定了弯曲多层石墨烯需要多少能量——这是一个长期困扰科学家的问题。信贷:斯蒂芬妮·亚当斯

 

该团队发现了之前研究不一致的原因。“他们不是把材料弯曲了一点就是弯曲了很多，”机械科学与工程专业的研究生、这项研究的合著者Jaehyung Yu说。“但我们发现石墨烯在这两种情况下表现不同。当你稍微弯曲多层石墨烯时，它的作用更像是一块硬板或一块木头。当你把它弯曲很多时，它就像一叠纸，原子层可以相互滑动。”天富平台登录

 

“这项工作令人兴奋的地方在于，它表明，尽管每个人都不同意，但他们实际上都是正确的，”机械科学与工程教授、该研究的合著者阿伦德范德阿赞德(Arend van der Zande)说。“每一组测量的东西都不一样。我们所发现的是一个模型，通过展示它们是如何通过不同程度的弯曲联系在一起来解释所有的分歧。”

 

“因为我们研究了不同程度的石墨烯弯曲，我们能够看到从一种形态到另一种形态的转变，从刚性到柔性，从平板行为到平板行为的转变。——埃里夫·埃尔特金，机械科学与工程教授

 

为了制造弯曲石墨烯，Yu将另一种2D材料六方氮化硼的单个原子层制作成原子级台阶，然后将石墨烯压在顶部。利用聚焦离子束，韩将材料切成薄片，并用电子显微镜对其原子结构进行成像，以观察每一层石墨烯的位置。

 

然后，该团队开发了一套方程式和模拟，利用石墨烯弯曲的形状来计算弯曲刚度。

 

通过将多层石墨烯覆盖在只有1到5个原子高的台阶上，研究人员创造了一种可控制的、精确的方法来测量材料在不同配置下如何在台阶上弯曲。

 

“在这个简单的结构中，有两种力参与弯曲石墨烯，”材料科学与工程教授、研究合著者Pinshane Huang说。原子对表面的吸附，试图把材料拉下来。材料越硬，它就越会试图弹回来，抵抗附着力的拉力。石墨烯的形状取代了原子步骤，编码了有关材料硬度的所有信息。”

 

这项研究系统地精确控制了材料的弯曲程度以及石墨烯性质的变化。

 

“因为我们研究了不同程度的石墨烯弯曲，我们能够看到从一种状态到另一种状态的转变，从刚性到柔性以及从平板到平板行为的转变，”机械科学与工程教授Elif Ertekin说，他领导了这项研究的计算机建模部分。“我们建立了原子尺度的模型，以证明这一现象可能发生的原因是各个层可能会相互滑动。一旦我们有了这个想法，我们就能够使用电子显微镜来确认各个层之间的滑移。”