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我国科学家首次实现原子级石墨烯可控折叠

2019-09-08

很多人小时候都玩过折纸,但很少有人能想到,如今纳米材料石墨烯也有“折纸术”了。近期,中国科学院物理研究所高鸿钧院士研究团队的陈辉博士等人首次实现了对石墨烯纳米结构的原子级可控折叠,相当于用石墨烯折纸,相关论文6日发表在世界顶级科研杂志《科学》上。

相关论文共同联系作者杜世萱昨日接受北京青年报记者采访时介绍,此次研究所用来折叠的石墨烯“纸”厚度不到0.2纳米,科研人员是在特殊的显微镜下完成的折叠。

“此次折叠出来的一种石墨烯纳米片结构具有电子元器件的一些特性,今后随着研究的进一步深入,我们有可能利用石墨烯的‘折纸术’创造出效率更高的手机、电脑等电子设备。”杜世萱介绍道。

中国科学家“折叠”石墨烯

构筑新型准三维纳米结构

“折纸术”是一种把纸张折出各种特定形状和花样的艺术。艺术家们通过精妙的手法,把简单与单调的二维纸张变成丰富多彩的三维结构。实际上,这类将物质折叠操纵的手法也经常被用在一些科学研究的前沿领域。通过对新材料的折叠,可以创造出形状与功能各异的结构、器件乃至机器。

中国科学院物理研究所6日发布消息称,该研究所高鸿钧研究团队的陈辉博士等人首次实现了对石墨烯纳米结构的原子级精准的可控“折叠”,构筑出一种新型的准三维石墨烯纳米结构。

中国科学院物理研究所表示,此次发现利用的是原子级精准的“折纸术”,也是目前世界上最小尺寸的石墨烯“折叠”。目前,该研究的论文已发表在世界顶级科研期刊《科学》上。

石墨烯作为一种纳米级的新型二维材料,在电学方面有望成为新一代电子元器件的基材,因此多年来一直是物理学研究的热门话题。2010年,两名科学家因在石墨烯材料方面的卓越研究获得了诺贝尔物理学奖。

中国科学院物理研究所介绍,想要“折叠”石墨烯并不简单,因为把石墨烯弯曲起来后,其结构的电子学性质容易受到多方面因素的影响,特别是根据特殊需要沿特定方向对石墨烯进行“折叠”,具有极大的挑战性。

在特殊显微镜下才能操作

用针引导石墨烯移动

此次发表的论文的共同联系作者杜世萱在接受北青报记者采访时表示,相比约0.1毫米厚的普通A4纸,陈辉等人用来“折叠”的石墨烯厚度不到0.2纳米,相当于A4纸五十万分之一的厚度。为了“折叠”这样薄的“纸”,科研人员需要操作一种特殊的显微镜——扫描隧道显微镜,“光是练习在这种显微镜下进行操作,可能就要花几个月的时间。”

为了能够“折叠”石墨烯,科研人员花了一年多的时间做准备,比如寻找适合“折叠”石墨烯的环境。杜世萱说:“比如一张纸,放在沾满胶水的桌子上,就很难给它‘折叠’起来。石墨烯的‘折叠’也是一样,环境中的电、磁等都可能是黏住石墨烯的‘胶水’。所以找到一个不会影响‘折叠’的环境是非常重要的。”

相比“台下十年功”,操作“折叠”石墨烯花费的时间就短多了,“这个操作是以分钟为单位计算的。”杜世萱解释说:“一般折纸,我们会用两根手指夹住纸的一端,把纸给折叠起来。但有的时候,由于手上有静电或者比较湿,我们一根手指就能把纸的一端提起来。‘折叠’石墨烯就有些像后一种情况,用一个带微弱电流的针,去吸引本身也有电的石墨烯,用针去引导石墨烯移动到指定的位置。”

石墨烯“折叠”后还能“展开”

对未来的应用有重要意义

陈辉等人发表的论文显示,此次研究不仅实现了简单的“折叠”,还可以在“折叠”后将石墨烯成功“展开”,并能让同一个石墨烯结构沿任意方向反复“折叠”,还创造出了堆叠角度精确可调的特定双层石墨烯纳米结构。

据悉,基于此次发现的石墨烯“折纸术”,可以折出其他新型的原子晶体材料,进而制造出功能纳米结构及其量子器件。中国科学院院士高鸿钧在接受央视采访时介绍,通过“折叠”所获取的新材料可能获得“折叠”前所没有的超导性或磁性,这样一些特性的变化,对未来的应用会有重要意义。

最后,杜世萱告诉北青报记者,此次发现的石墨烯纳米片结构具有电子元器件的一些特性,随着今后研究的不断深入,有可能利用石墨烯的“折纸术”,来创造出效率更高的手机、电脑等电子设备。

文/本报记者 屈畅 实习记者 许张超

(责编:牛镛、岳弘彬)

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