研究人员利用石墨烯片层自发撕裂的现象，非常容易地制备出了石墨烯条带，这种由单层碳原子构成的条带有望在电子电路中大展身手。
在金刚石针尖刺穿石墨烯片层后，从石墨烯片层中自发地撕裂出了三个石墨烯条带。（图片来源：James Annett）
石墨烯是由单层碳原子构成的新型材料，这种材料的强度比钢铁还高，硬度可以与金刚石媲美。但就是这种又强又薄的材料，能够在外力的诱导作用下自发地撕裂成条带。
最近，来自都柏林圣三一学院（Trinity College Dublin）的科学家在《自然》（Nature）上发表了这项研究成果。研究人员用金刚石针尖刺穿石墨烯片层，然后控制针尖在刺穿的小孔中来回移动。整个过程就像翻卷地毯那样，先从石墨烯片层中掀起窄窄的条带，然后片层沿着条带逐渐撕开，条带逐渐变长，最后条带再叠回到原石墨烯片层之上。
James Tour是莱斯大学（Rice University）纳米科技领域的专家，他评价这项发现“完全出人意料”。不过Tour指出，这项技术仍处在发展初期，研究人员也并未实现对这一过程的控制，因而这项技术在未来会有何运用，目前还很难预测。物理学家Graham Cross与James Annett是该现象的发现者，与Tour的看法不同，他们认为，这项技术非常有望实现对石墨烯条带的尺寸的控制，同时也能够调整撕裂与折叠的方式，在电子电路领域具有应用前景。
偶然发现这一现象的时候，Annett还处于研究生时代。为了检测石墨烯的抗摩擦性能，他需要在石墨烯表面拖动金刚石针尖。在实验的过程中，针尖有时会把石墨烯片层刺穿，Annett注意到，被刺穿的石墨烯片层有时会继续撕裂成长短不一的条带，最长时可达数十微米。Cross说：“我看到James的实验结果时，立马就认识到，这将会是一个重要的发现。”
魔术般的撕裂机理
Cross指出了该过程发生的可能性，从能量上来看，多层石墨烯的稳定性要高于单层，因而石墨烯条带在可以自由移动的情况下，更倾向于翻卷起来，叠在原石墨烯片层之上，而非与原片层维持在同一平面。然而，在达到更加稳定的状态前，该过程必须克服由很强的碳-碳键形成的能垒。该能垒阻碍了石墨烯片层撕裂，而来回移动金刚石针尖就有助于克服这一能垒。此外，上述过程可以在室温下进行，但在高温下，石墨烯条带的生长速度更快，尺寸更长。
现有的切割石墨烯形状的方法有很多，例如用化学试剂、激光、或氧等离子体对石墨烯片层表面进行刻蚀，除去多余部分。就在去年，康奈尔大学（Cornell University）的物理学家Paul McEuen曾带领他的研究团队，通过光刻技术在石墨烯上剪裁出了复杂的图案，其过程类似于剪纸艺术。不过，Cross和Annett认为，他们的技术可以在更温和的条件下实现，而且相比于逐个裁剪条带的技术，这项新技术更有望在短时间内制备出大量的石墨烯条带。
在Cross看来，如果该技术能实现对石墨烯条带的形成与堆叠方式的控制，那么他就能把该技术制备出的条带应用到晶体管（即电子开关）、电容器（即储存电荷的器件）等场合，或应用于连接导电石墨烯片层。他补充说，在未发表的实验中，他已经实现了对石墨烯条带堆叠方式的控制。
莱斯大学的材料学家Boris Yakobson为这一发现而感到激动，他说，如果研究者能够采用不同形状、不同数目的针尖，进一步控制条带的生长过程，那么这项技术就能够针对具体电路，构建出预先设计好的条带网络，用于制造未来电子器件中的电极。
翻译：王舟
审稿：刘卓
原文链接：http://www.nature.com/news/graph ... -to-ribbons-1.20258
“自撕”的石墨烯
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