納米折紙——熱激活的石墨烯自組裝
?可以說，石墨烯是當今材料科學學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界最炙手可熱的明星，不過科學家對石墨烯的研究早早就開始了。二十多年前石墨烯還是“理論中的材料”，就有人設(shè)想，它作為一種二維材料是否可以像宏觀世界中的折紙一樣，折疊切割成不同的形狀，發(fā)揮不同的功用（Ebbesen, T. W. & Hiura, H. Graphene in 3-dimensions: towards graphite origami.?Adv. Mater.,?1995,?7, 582-586）。不過這個設(shè)想也一直停留在設(shè)想階段，直到前不久才變成現(xiàn)實。
近日，愛爾蘭都柏林三一學院的James Annett和Graham L. W. Cross在Nature上發(fā)表封面文章，報道了熱活化作用對于石墨烯乃至其他二維材料的重要影響：二維單層石墨烯片層通過自發(fā)自驅(qū)動的從基底剝離、撕裂和滑動過程，自組裝成為三維結(jié)構(gòu)。（Self-assembly of graphene ribbons by spontaneous self-tearing and peeling from a substrate.?Nature,?2016,?535, 271-275, DOI: 10.1038/nature18304）
宏觀片層（比如紙）和二維材料（比如石墨烯）的關(guān)鍵區(qū)別在于：二維材料非常之薄，厚度僅為分子級別（甚至原子級別），因此通過熱活化可以激發(fā)其大量的面外運動。此前的研究已經(jīng)表明熱活動能使不受約束的石墨烯片產(chǎn)生局部褶皺，這有助于從理論上理解石墨烯的熱穩(wěn)定性，并帶來意想不到的長程彎曲剛度。
Annett和Cross的工作證明，熱活化對二維固體材料的行為還有更為重要的作用。當一小片石墨烯從基底上被切割然后折疊過來以后，它會自發(fā)的開始滑動，撕裂成一個帶狀結(jié)構(gòu)，這種剝離現(xiàn)象的驅(qū)動力來自熱力學機理。該機理很穩(wěn)定，即使在室溫條件下，理論上也可以實現(xiàn)大面積的剝離和折疊過程。研究者已經(jīng)可以實現(xiàn)300-2000 nm寬，大于5 μm長的石墨烯納米帶的自組裝。同時，通過加熱也可以促進這一折疊過程。
隨后研究者對這一現(xiàn)象進行了深入的理論計算，借助格里菲斯斷裂模型分析（Griffith-style elastic fracture analysis），石墨烯之間的界面能可以克服石墨烯折疊和滑動產(chǎn)生的阻力；折疊后，石墨烯-石墨烯表面的相互作用也可以克服了自身因折疊而產(chǎn)生的應變能。隨后，研究者探究了石墨烯帶的折疊角度、長度、終止折疊寬度、石墨烯層數(shù)、折疊速度等因素之間的相互關(guān)系。比如，隨著石墨烯從一層變?yōu)閮蓪印⑷龑?，折疊石墨烯帶的折疊角度、終止折疊寬度相差不大，然而折疊長度明顯變短，這是由于層數(shù)的增多導致阻力的增大所致。
這一研究結(jié)果有望為機械驅(qū)動二維材料自組裝形成復雜三維結(jié)構(gòu)過程提供一個新的機理。
近日，愛爾蘭都柏林三一學院的James Annett和Graham L. W. Cross在Nature上發(fā)表封面文章，報道了熱活化作用對于石墨烯乃至其他二維材料的重要影響：二維單層石墨烯片層通過自發(fā)自驅(qū)動的從基底剝離、撕裂和滑動過程，自組裝成為三維結(jié)構(gòu)。（Self-assembly of graphene ribbons by spontaneous self-tearing and peeling from a substrate.?Nature,?2016,?535, 271-275, DOI: 10.1038/nature18304）
宏觀片層（比如紙）和二維材料（比如石墨烯）的關(guān)鍵區(qū)別在于：二維材料非常之薄，厚度僅為分子級別（甚至原子級別），因此通過熱活化可以激發(fā)其大量的面外運動。此前的研究已經(jīng)表明熱活動能使不受約束的石墨烯片產(chǎn)生局部褶皺，這有助于從理論上理解石墨烯的熱穩(wěn)定性，并帶來意想不到的長程彎曲剛度。
Annett和Cross的工作證明，熱活化對二維固體材料的行為還有更為重要的作用。當一小片石墨烯從基底上被切割然后折疊過來以后，它會自發(fā)的開始滑動，撕裂成一個帶狀結(jié)構(gòu)，這種剝離現(xiàn)象的驅(qū)動力來自熱力學機理。該機理很穩(wěn)定，即使在室溫條件下，理論上也可以實現(xiàn)大面積的剝離和折疊過程。研究者已經(jīng)可以實現(xiàn)300-2000 nm寬，大于5 μm長的石墨烯納米帶的自組裝。同時，通過加熱也可以促進這一折疊過程。
隨后研究者對這一現(xiàn)象進行了深入的理論計算，借助格里菲斯斷裂模型分析（Griffith-style elastic fracture analysis），石墨烯之間的界面能可以克服石墨烯折疊和滑動產(chǎn)生的阻力；折疊后，石墨烯-石墨烯表面的相互作用也可以克服了自身因折疊而產(chǎn)生的應變能。隨后，研究者探究了石墨烯帶的折疊角度、長度、終止折疊寬度、石墨烯層數(shù)、折疊速度等因素之間的相互關(guān)系。比如，隨著石墨烯從一層變?yōu)閮蓪印⑷龑?，折疊石墨烯帶的折疊角度、終止折疊寬度相差不大，然而折疊長度明顯變短，這是由于層數(shù)的增多導致阻力的增大所致。
這一研究結(jié)果有望為機械驅(qū)動二維材料自組裝形成復雜三維結(jié)構(gòu)過程提供一個新的機理。
