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纳米折纸——热激活的石墨烯自组装
来源: | 作者:nayuansu | 发布时间: 2016-07-26 | 2417 次浏览 | 分享到:
        可以说,石墨烯是当今材料科学学术界和产业界最炙手可热的明星,不过科学家对石墨烯的研究早早就开始了。二十多年前石墨烯还是“理论中的材料”,就有人设想,它作为一种二维材料是否可以像宏观世界中的折纸一样,折叠切割成不同的形状,发挥不同的功用(Ebbesen, T. W. & Hiura, H. Graphene in 3-dimensions: towards graphite origami. Adv. Mater.1995, 7, 582-586)。不过这个设想也一直停留在设想阶段,直到前不久才变成现实。
       近日,爱尔兰都柏林三一学院James AnnettGraham L. W. CrossNature上发表封面文章,报道了热活化作用对于石墨烯乃至其他二维材料的重要影响:二维单层石墨烯片层通过自发自驱动的从基底剥离、撕裂和滑动过程,自组装成为三维结构。(Self-assembly of graphene ribbons by spontaneous self-tearing and peeling from a substrate. Nature2016, 535, 271-275, DOI: 10.1038/nature18304)
       宏观片层(比如纸)和二维材料(比如石墨烯)的关键区别在于:二维材料非常之薄,厚度仅为分子级别(甚至原子级别),因此通过热活化可以激发其大量的面外运动。此前的研究已经表明热活动能使不受约束的石墨烯片产生局部褶皱,这有助于从理论上理解石墨烯的热稳定性,并带来意想不到的长程弯曲刚度。
       Annett和Cross的工作证明,热活化对二维固体材料的行为还有更为重要的作用。当一小片石墨烯从基底上被切割然后折叠过来以后,它会自发的开始滑动,撕裂成一个带状结构,这种剥离现象的驱动力来自热力学机理。该机理很稳定,即使在室温条件下,理论上也可以实现大面积的剥离和折叠过程。研究者已经可以实现300-2000 nm宽,大于5 μm长的石墨烯纳米带的自组装。同时,通过加热也可以促进这一折叠过程。
       随后研究者对这一现象进行了深入的理论计算,借助格里菲斯断裂模型分析(Griffith-style elastic fracture analysis),石墨烯之间的界面能可以克服石墨烯折叠和滑动产生的阻力;折叠后,石墨烯-石墨烯表面的相互作用也可以克服了自身因折叠而产生的应变能。随后,研究者探究了石墨烯带的折叠角度、长度、终止折叠宽度、石墨烯层数、折叠速度等因素之间的相互关系。比如,随着石墨烯从一层变为两层、三层,折叠石墨烯带的折叠角度、终止折叠宽度相差不大,然而折叠长度明显变短,这是由于层数的增多导致阻力的增大所致。
       这一研究结果有望为机械驱动二维材料自组装形成复杂三维结构过程提供一个新的机理。