东京科学研究所的科学家们开发了一种基于模拟的新方法来测量石墨烯如何弯曲，即使有缺陷，也有助于设计更坚固、更灵活的二维材料。
东京科学研究所的一个研究小组开发了一种新的计算方法来评估石墨烯纳米片的机械行为。该技术可以直接测量具有结构缺陷的板材的弯曲刚度，而无需进行实验室实验。
这项研究发表在《Nanoscale》上，将分子动力学模拟与膜弯曲的赫尔弗里奇理论相结合。研究人员表示，该方法提供了一种实用的方法来模拟石墨烯如何在原子水平上弯曲，包括在含有缺陷的片材中。
石墨烯纳米片是一种二维 （2D） 纳米碳材料，以其卓越的强度、柔韧性和适应弯曲形状的能力而闻名。这些特性可以通过将五元或七元环引入正六方碳晶格中来改变。
这些不规则的环结构（称为离散）改变了板材的局部几何形状。从六边形结构中去除一个三角形，形成一个五元环，产生圆锥形;添加一个三角形会得到一个七元环，导致马鞍形表面。
这种区分已经在实际应用中使用。例如，“蛋托”石墨烯具有由周期性偏斜形成的波状结构，以其抗冲击性而著称。具有七元环的石墨烯纳米片也显示出用作纳米级弹簧的潜力。
虽然扁平石墨烯片的弯曲刚度已被广泛研究，但对具有差异的石墨烯片的机械性能仍然知之甚少。缺陷的存在使得难以获得准确的实验测量值。
为了解决这个问题，研究人员开发了一种方法，该方法使用分子模拟直接从原子构型中估计弯曲刚度。它基于赫尔弗里希理论，该理论最初是为了描述生物膜的曲率而开发的，但由于结构相似，也适用于石墨烯。
我们开发了一种新的混合方法，将分子动力学模拟与 Helfrich 膜弯曲理论相结合。该方法允许直接从原子构型直接评估具有晶格缺陷的石墨烯片的弯曲刚度，而无需进行实验测试。
Xiao-Wen Lei，东京科学研究所材料与化学技术学院副教授
研究人员使用他们的混合方法检查了四种不同类型的具有差异的石墨烯片 （GS） 分析模型：五元（正）单极子、七元（负）单极子和两种类型的偶极子，即连接或分隔不同距离的差异对。
计算出的弯曲刚度值与之前的实验结果一致，支持了该方法的有效性。更重要的是，研究结果表明，具有单极子和偶极子的GS首次具有不同的模式。去除非线性影响后，弯曲刚度与离散偶极子相当。
将锥形和鞍形表面组合在一起，偶极子会发生局部形状变化，并引起相应的局部弯曲刚度变化。此外，随着不均匀之间距离的增加，弯曲刚度收敛到稳定值。这表明晶格缺陷的密度和排列在决定力学性能方面起着关键作用。
我们的研究结果不仅为理解具有晶格缺陷的GS的机械性能奠定了基础，而且为设计具有特定弯曲刚度和定制机械性能的新型GS提供了见解。
Xiao-Wen Lei，东京科学研究所材料与化学技术学院副教授
这项研究可能会加速基于 GS 的创新材料的创造，包括抗冲击石墨烯结构和纳米弹簧，从而产生更复杂的 2D 材料。
期刊参考：
Kunihiro, Y., et al. (2025). A New Computational Approach for Evaluating Bending Rigidity of Graphene Sheets Incorporating Disclinations. Nanoscale. doi.org/10.1039/D5NR01102G.
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