石墨烯“折纸术”了解一下

原子级精确的石墨烯“折纸”来构建三维石墨烯纳米结构。中国科学院物理研究所提供的图纸

韩国整容手术、日本整容手术和中国PS手术也被称为亚洲的三大“魔术艺术”。我相信很多人都看过这个流传已久的网络笑话。然而，今天，我担心一个新成员——石墨烯折纸——将被添加到这些“魔法艺术”中。

9月6日，《科学》杂志发表了中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员高鸿钧团队的成果。世界上第一次，他们实现了原子级的精确控制和定制的石墨烯折叠，这也是世界上最小的“石墨烯折纸”。

“折纸”是一种将纸折叠成各种特定形状和图案的艺术。人们可以通过巧妙的方法把一张简单的纸变成各种三维结构。

这种游戏不仅孩子们喜欢，科学家也喜欢。受这一艺术的启发，折叠操作经常被巧妙地应用于科学和技术的许多前沿领域，以构建具有不同形状和功能的结构、装置甚至机器。例如，在生物学领域，生物学家可以将单股DNA折叠成复杂的二维形状。

科学家们也渴望尝试已经获得两项诺贝尔奖的石墨烯研究。二维石墨烯晶格结构被认为是许多其他碳纳米结构的母体材料。已经发现石墨烯结构可以沿一定方向卷曲形成一维碳纳米管，而具有五元环和七元环的石墨烯结构可以弯曲成球形结构形成富勒烯。在宏观尺度上，科学家已经能够构建石墨烯功能器件，甚至机器模型。

“理论预测表明，通过弯曲和折叠石墨烯，可以在原子尺度上制造出具有新颖电子特性的纳米结构。”论文第一作者、中国科学院物理研究所博士后陈晖说。

然而，在原子尺度上，幼儿园的孩子不做体力劳动。在单原子尺度上精确折叠石墨烯是极其困难的，尤其是根据特殊需要沿特定方向折叠石墨烯。

陈晖告诉《中国科学日报》，石墨烯“折纸”的实现需要扫描探针操纵技术。要掌握这项技术，首先要掌握扫描探针的原理，然后再长期练习。"一旦掌握了，应用起来就会相对简单."他说，除了取决于技术本身，材料的大小、机械性能、探针和材料之间的相互作用以及材料和基底之间的相互作用都会影响折纸的成功率。

然而，科学研究人员已经克服了这一系列困难。陈晖等人首次实现了石墨烯纳米结构的原子级精确可控折叠，并构建了一种新的准三维石墨烯纳米结构。

该成果实现了石墨烯纳米结构的原子级精确折叠和展开、同一石墨烯结构在任意方向的重复折叠、堆叠角度精确可调的双层石墨烯纳米结构的构建、准一维碳纳米管纳米结构的构建、双晶石墨烯纳米结构的可控折叠和异质结的构建。

"这是一份非常有趣和创新的工作。"一位评论者评论道:“给我留下深刻印象的是作者折叠了角度可调的双层石墨烯结构，这是折叠电子学的一个重要发展。给我印象最深的是，他们构建了一个准一维折叠边界，这是研究人员第一次做出如此精细的结构。更令我难以置信的是，他们有一个准一维异质结。我从未见过如此美妙的结果。”

研究人员还发现，通过石墨烯“纳米折纸”获得的准一维纳米管异质结两侧的电子性质不同。根据陈晖的说法，这意味着它“可以用来构建信息设备的基本单元，如晶体管等”

总之，这项研究对量子材料和量子器件(机器)的构建具有科学和技术双重意义。也许在未来，人们有望用这种“折纸”来折叠其他新的二维原子晶体材料和复杂的层状结构，从而制备功能性纳米结构及其量子器件，并研究其新的物理现象。