维也纳大学物理学家通过类似手风琴的波纹效应制造出超拉伸石墨烯

使用的显微镜照片。左图：布鲁克公司生产的 3 米高扫描透射电子显微镜 Nion Ultra STEM 100。右图 量子设计有限公司生产的 AFSEM 显微镜的无气室视图。图片来源：Wael Joudi、Jani Kotakoski

石墨烯是一种 “神奇材料”：机械强度极高，导电性极强，是相关应用的理想材料。亚尼-科塔科斯基（Jani Kotakoski）领导的维也纳大学物理学家采用一种独特的方法，通过像手风琴一样使石墨烯产生波纹，首次大幅提高了石墨烯的伸展性。这为需要一定拉伸性的新应用（如可穿戴电子设备）铺平了道路。

在与维也纳技术大学的合作中，这一现象的确切机制被揭示出来，并发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

2004 年石墨烯的首次实验证据确立了一类全新的材料，即所谓的二维（2D）固体。它们的名称源于这样一个事实，即它们只有单层原子厚度，因而具有奇特的材料特性，可造福于各种应用领域。

例如，石墨烯因其巨大的导电性而脱颖而出，但它也非常坚硬。这种极高的硬度是材料中原子蜂窝状排列的结果。直观地说，如果将材料中的一些原子连同它们的键一起移除，就会导致硬度降低。然而，有科学研究报告称，刚度既有轻微的降低，也有显著的增加。

维也纳大学亚尼-科塔科斯基（Jani Kotakoski）领导的研究小组的研究人员通过新的测量结果澄清了这些矛盾。实验采用了最先进的设备，所有设备共享同一个超洁净无空气环境。这样就可以在不同设备之间传输样品，而不会暴露在环境空气中。

石墨烯原子结构示意图。黑色球体代表碳原子，灰色棒体表示碳原子之间的键。灰色标记区域代表空位，空位导致了侧视图中可见的波纹。资料来源：Wael Joudi

亚尼-科塔科斯基（Jani Kotakoski）解释说：我们在维也纳大学开发的这一独特系统使我们能够不受干扰地研究二维材料。

该研究的第一作者 Wael Joudi 补充说：”这是第一次在石墨烯与环境空气及其所含外来颗粒完全隔离的情况下进行这种实验。如果没有这种隔离，这些颗粒会很快沉淀在石墨烯表面，影响实验过程和测量结果。

事实上，对材料表面细致清洁的关注导致发现了有关石墨烯硬度的所谓手风琴效应：移除两个相邻原子就会导致最初平坦的材料出现明显的隆起。

几个凸起加在一起，就形成了材料的波纹： “你可以把它想象成手风琴。朱迪解释说：”当被拉开时，波状材料变得扁平，这比拉伸扁平材料所需的力要小得多，因此材料变得更易拉伸。

手风琴效应示意图。由空位造成波纹的材料通过机械拉伸变平。所需的力越小，石墨烯的软化程度就越明显。资料来源：Wael Joudi

维也纳技术大学的理论物理学家里卡-萨斯基娅-温迪施（Rika Saskia Windisch）和弗洛里安-利比施（Florian Libisch）进行的模拟证实了波纹的形成和由此产生的可拉伸性。

实验还表明，材料表面的外来颗粒不仅会抑制这种效应，还会导致相反的结果。具体来说，它们的影响会使材料看起来更硬，这也解释了过去的矛盾之处。

“这说明了在处理二维材料时测量环境的重要性。这些结果为调节石墨烯的硬度开辟了一条途径，从而为潜在的应用铺平了道路。

更多信息

Wael Joudi et al, Corrugation-Dominated Mechanical Softening of Defect-Engineered Graphene, Physical Review Letters (2025).

DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.166102