首次实现原子级精准控制的石墨烯折叠

首次实现原子级精准控制的石墨烯折叠

我国科学家借鉴民间的“折纸术”实现了对石墨烯纳米结构的操控。近日，中科院物理所高鸿钧研究团队的陈辉博士等人在世界上首次实现了原子级精准控制的石墨烯折叠。这是目前世界上最小尺寸的石墨烯折叠。相关成果日前发表在《科学》杂志上。

在民间有一种“折纸术”。人们通过精妙的手法，把简单的二维纸张变成丰富多彩的三维结构。受这种艺术的启发，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，例如生物学领域可以将DNA单链折叠成复杂的二维形状的方法等。在宏观尺度下，受折纸术的启发，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，可以构筑出具有新奇电子学特性的纳米结构。



陈辉博士等人实现了对石墨烯纳米结构的原子级精准的可控折叠，构筑出一种新型的准三维石墨烯纳米结构。该结构由二维旋转堆垛双层石墨烯纳米结构与一维的类碳纳米管结构组成。这项工作在国际上首次实现了世界上最小尺寸的、原子级精准控制的、可以按需定制的石墨烯折叠。



陈辉说，基于这种原子级精准的“折纸术”，还可以折叠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，研究其新奇物理现象。这项研究对构筑量子材料和量子器件（机器）具有重要的科学与技术上的意义。



探索新型低维碳纳米材料及其新奇物性一直是当今科技领域的前沿科学问题之一，相关研究曾于1996年和2010年两次获得诺贝尔奖。



经过多年研究攻关，中国科学院院士、中科院物理研究所研究员高鸿钧团队在世界上首次实现了原子级精准控制的石墨烯折叠，这是目前世界上最小尺寸的石墨烯折叠，对构筑量子材料和量子器件等具有重要意义。9月6日，这一成果在国际学术期刊《科学》（Science）上发表。探索新型低维碳纳米材料及其新奇物性是世界前沿的科学问题之一，相关研究曾两次获得诺贝尔奖。二维的石墨烯晶格结构被认为是其他众多的碳纳米结构的母体材料。不过，目前在单原子层次上精准构筑和调控基于石墨烯的低维碳纳米结构仍存在巨大挑战。

“折纸术”是一种把纸张折出各种特定形状和花样的艺术。艺术家们通过精妙的手法，把简单与单调的二维纸张变成丰富多彩的三维结构。受这种艺术的启发，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，例如生物学领域可以将DNA单链折叠成复杂的二维形状的方法等。



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，可以构筑出具有新奇电子学特性的纳米结构。然而，石墨烯弯曲结构的电子学性质容易受到局域的空位、增原子、边界等缺陷结构的影响。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。



最近，中国科学院物理研究所高鸿钧研究团队的陈辉博士等人首次实现了对石墨烯纳米结构的原子级精准的可控折叠，构筑出一种新型的准三维石墨烯纳米结构。该结构由二维旋转堆垛双层石墨烯纳米结构与一维的类碳纳米管结构组成。



这也是目前世界上最小尺寸的石墨烯折叠。基于这种原子级精准的“折纸术”，还可以折叠其它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，研究其新奇物理现象。



高鸿钧说，石墨烯折叠之后，这些新型的二维原子晶体材料有可能由没有超导特性变成具有超导特性，没有磁性可以变成有磁性。利用这样一些特性的变化去构造功能的量子器件，对未来包括量子计算在内的应用将会有重要的意义。

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