維也納大學(xué)的物理學(xué)家與維也納技術(shù)大學(xué)的研究人員合作，發(fā)現(xiàn)了一種使石墨烯（一種以極高的強度和高導(dǎo)電性而聞名的材料）更具延展性的方法。他們的方法包括在材料中添加微小缺陷，并形成類似于手風(fēng)琴褶皺的波紋狀圖案。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于開發(fā)可穿戴電子產(chǎn)品、可卷曲產(chǎn)品等柔性技術(shù)。

石墨烯只有一個原子厚，其結(jié)構(gòu)使其非常堅硬。雖然這種硬度在很多方面都很有用，但它限制了材料的彎曲或拉伸程度。自2004年發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家們一直嘗試通過去除原子來改變其硬度，但結(jié)果并不一致。一些研究表明其硬度略有下降，而另一些研究則發(fā)現(xiàn)其硬度有所增加。

為了消除這種困惑，維也納團隊在一個特殊的裝置中進行了一系列實驗，該裝置使石墨烯保持完全清潔，不受空氣或灰塵的影響?！拔覀冊诰S也納大學(xué)開發(fā)的這套獨特系統(tǒng)使我們能夠不受干擾地檢測二維材料，”該研究的負責(zé)人Jani Kotakoski說道。該研究的第一作者Wael Joudi補充道：“這是首次在石墨烯與周圍空氣及其所含的外來顆粒完全隔離的情況下進行此類實驗。如果沒有這種隔離，這些顆粒會迅速沉積在石墨烯表面，影響實驗過程和測量結(jié)果。”

該團隊利用低能氬離子（Ar，能量低于 200 eV）在石墨烯中引入缺陷，以可控的方式敲除原子。這些缺失的原子被稱為空位。隨后，他們利用先進的顯微鏡和圖像分析技術(shù)研究原子結(jié)構(gòu)，并利用原子力顯微鏡（AFM）納米壓痕技術(shù)測量了該材料對壓力的響應(yīng)。

在引入缺陷之前，石墨烯的二維彈性模量 (E^2D) 為 286 N/m。引入空位后，該值降至 158 N/m。這是一個非常大的變化——超過了大多數(shù)理論的預(yù)測——這也解釋了為什么早期實驗的結(jié)果好壞參半。模擬表明，石墨烯的軟化主要是由于兩個或多個原子缺失的位置周圍應(yīng)變引起的波紋。單個原子缺失對軟化影響不大。

“你可以把它想象成一把手風(fēng)琴。當(dāng)它被拉開時，波浪形的材料會變平，這比拉伸扁平材料所需的力要小得多，因此它的延展性也更強，”Joudi說道。Rika Saskia Windisch 和 Florian Libisch 的模擬結(jié)果支持了這一想法，展示了波紋的形成和延展性的增強。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，如果在添加缺陷之前未清潔石墨烯表面，則會發(fā)生相反的情況，因為它會變得更硬。這是因為表面的污垢或顆粒會阻礙波紋效應(yīng)?！斑@表明，在處理二維材料時，測量環(huán)境至關(guān)重要。該結(jié)果開辟了一種調(diào)節(jié)石墨烯剛度的方法，從而為潛在的應(yīng)用鋪平了道路，”Joudi總結(jié)道。

來源：維也納技術(shù)大學(xué)、美國物理學(xué)會