“爱你苍老的脸上的皱纹”——当石墨烯老了

材料牛注： 继碳纳米管、石墨烯和富勒烯之后又出现了一种新的材料，那就是布满皱纹的“年老”石墨烯。而使石墨烯变老的罪魁祸首就是让人敬而远之的“细菌”，也许细菌这样做只是因为“爱你苍老的脸上的皱纹”，且听细菌最新单曲《当石墨烯老了》。

石墨烯是一种由连接成六角网状的单层碳原子组成的二维神奇材料，因其出色的导电性能吸引了人们强烈的兴趣。现在芝加哥伊利诺伊（Illinois）大学研究人员利用杆状细菌——在电场下精确对齐，然后在石墨烯片下真空压缩——在材料中引入纳米波纹，使其在垂直方向的导电性不同。

由此产生的近似石墨烯纳米灯芯绒材料，可以应用于硅片并可能为石墨烯在电子和纳米技术方面增添无限潜力。这一发现报道在ACS Nano上。

图注：搭载一个芽孢杆菌上的石墨烯的原子力显微镜图像(左图)。细菌有1微米或1/25,000英寸宽。石墨烯经真空热处理后规则的皱纹形态(右图，比左图放大两倍)。（图片来源：芝加哥伊利诺伊（Illinois）大学的Vikas Berry）

UIC的化学工程临时主管及副教授Vikas Berry领导了这项研究，他说：“穿过石墨烯皱纹的电流小于沿着皱纹的电流。”

Vikas Berry说这些皱纹形成的关键是石墨烯在纳米尺度下的弹性极限，这也使得碳纳米管能够形成。

Berry 说：“皱纹使得每个碳原子周围形成一个‘V’字形电子云”，这可以形成偶极矩产生平面石墨烯所没有的电子带隙。

Berry说，其他研究人员通过拉伸薄片并使其迅速恢复来制成石墨烯上的皱纹。但这种皱纹并不局限在微观尺度，也不能指向微小构件的某一位置。

他和同事们利用独特的方式通过芽孢杆菌引入受限制的、有引导性的且规则的石墨烯皱纹，利用石墨烯本身作为止回阀来改变细胞的体积。

研究人员把细菌放在电场中使它们像热狗串一样行间重复排列，然后置于石墨烯顶部。

Bery 说：“在真空条件下，石墨烯上升使水出来，但在压力条件下石墨烯会落回到基体上并阻止水重新进入细菌。

“纳米阀门驱动流体在微生物中单向流动,” Berry说, “将来，这种阀门操作可能应用到只在我们希望的某一方向流动，而在其它方向不流动的微流控元件上。”

在细菌被真空压缩后，石墨烯重组并出现皱纹。热处理后，在细菌上端生成的永久性皱纹都纵向排列，高7到10纳米且波长为32 nm左右。

高真空下可以利用场发射扫描电镜观察皱纹，在大气压力下可用原子力显微镜观察。

“皱纹的波长与材料的厚度成正比，再加上石墨烯是世界上最薄的材料” Berry说。“我们设想，利用石墨烯可以制成世界上最小波长的皱纹——约 2纳米。”

他说，下一个目标将是设计流程来进一步细化皱纹并改变它们的振幅、波长和纵向长度。

为了测量皱纹取向对载体运输的影响，论文的第一作者研究生Shikai Deng组装了一个加号形状的装置，该装置上的细菌对齐平行于一对电极并垂直于另一对。他发现有皱纹的石墨烯的横向电阻比纵向大。

Berry说定向皱纹引入的石墨烯代表一种全新的材料。“继碳纳米管、石墨烯和富勒烯之后，这是一个新的碳的同素异形体——连接石墨烯的半个碳纳米管”他说, “结构不同并具有新的基本电子特性。”

National Science Foundation和UIC资助了这项研究。除了Berry和Deng，ACS Nano研究的联合作者有UIC化学工程系的Sanjay Behura；清华大学的Enlai Gao、 Yanlei Wang和Zhiping Xu； UIC化学系的Soumyo Sen和Petr Král； 以及Clemson大学的T. S. Sreeprasad。

参考原文：Germs add ripples to make ‘groovy’ graphene

本文由材料人编辑部尉谷雨提供素材，段慧超编译，赵建伟审核，点我加入编辑部。