全世界最小、原子级精准、可按需定制：石墨烯“折纸术”了解一下

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原子级精确石墨烯“折纸术”构筑三维石墨烯纳米结构。中科院物理所供图

9月6日，《科学》杂志发表了中国科学院院士、中科院物理研究所研究员高鸿钧团队的一项成果，他们在国际上首次实现了原子级精准控制、可按需定制的石墨烯折叠，这也是目前世界上尺寸最小的“石墨烯折纸”。

“折纸术”是一种把纸张折出各种特定形状和花样的艺术。人们通过精妙的手法，能够把一张简单的纸变换出各种各样的三维结构。

这种游戏不但小朋友喜欢玩，科学家也乐在其中。受到这项艺术的启发，折叠操纵经常被巧妙地用在很多科学技术前沿领域，用来构筑形状与功能各异的结构、器件甚至机器。比如，在生物学领域，生物学家可以将DNA单链折叠成复杂的二维形状。

在曾两获诺贝尔奖的石墨烯研究领域，科学家也同样跃跃欲试。二维的石墨烯晶格结构被认为是其他众多碳纳米结构的母体材料，人们已经发现，石墨烯结构沿着某一方向卷曲，可以形成一维的碳纳米管，而将具有五元环和七元环石墨烯结构弯曲成球型结构，即可形成富勒烯。在宏观尺度下，科学家已经能够构建出石墨烯功能器件甚至机器模型。

“理论预测发现，在原子尺度，通过对石墨烯的弯曲折叠，可以做出具有新奇电子学特性的纳米结构。”论文第一作者、中科院物理所博士后陈辉说。

但是，原子尺度上的事儿，可不是幼儿园小朋友做手工。在单原子尺度精确地折叠石墨烯，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。

陈辉告诉《中国科学报》，实现石墨烯“折纸”要用到扫描探针操控技术，而要掌握这项技术，需要首先掌握扫描探针的原理，后期再经过长时间练习。“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外，材料尺寸大小、力学性质、探针与材料的相互作用、材料与基底之间的相互作用等，都会影响“折纸”的成功率。

不过，这一系列困难都被科研人员克服了。陈辉等人首次实现了石墨烯纳米结构原子级精准的可控折叠，并构筑出一种新型的准三维石墨烯纳米结构。

这一成果一举实现了石墨烯纳米结构的原子级精准折叠与解折叠、同一个石墨烯结构沿任意方向的反复折叠、堆叠角度精确可调的旋转堆垛的双层石墨烯纳米结构、准一维碳纳米管纳米结构的构筑，以及双晶石墨烯纳米结构的可控折叠及其异质结的构筑。

“这是一项非常有意思和创新性的工作。”该论文的一位审稿人评论称，“让我印象深刻的是作者折叠出角度可调的双层石墨烯结构，这是折叠电子学的一个重要进展；让我印象至深的是他们构造了准一维的折叠边界，这是科研人员第一次做出了如此精致的结构；更让我难以置信的是他们得到了准一维的异质结，这么漂亮的结果我从来没见过。”

科研人员还发现，通过石墨烯“纳米折纸术”得到的准一维纳米管异质结两侧的电子学性质不同。陈辉认为，这意味着它“可以用来构建信息器件的基本单元，如晶体管等”。

总之，这项研究对构筑量子材料和量子器件（机器）具有科学和技术上的双重意义。也许在未来，人们有望利用这种“折纸术”，折叠出其他新型二维原子晶体材料和复杂的叠层结构，进而制备出功能纳米结构及其量子器件，并研究其新奇的物理现象。