小强强读Nature封面：石墨烯二维到三维，撕巴撕巴就好

糯米糯米 8年前 (2016-08-18) 8406浏览

Nature封面出来好久了，网上也有一些报道，我看了几篇，语焉不详，稀里糊涂一篇文章就完事了，总是不过瘾，便觉得有写一点东西的必要了。既然是封面文章，封面上的内容一定是作者和编辑精挑细选出来的。先看封面（Ribbon Development-Spontaneous self-assembly of graphene sheets to form multi-layer ribbons）：丝带开拓-石墨烯层的自发的自组装形成多层丝带。如果别人问你石墨烯的那个Nature封面讲的啥，你就说这个。

石墨烯是个明星，于2016年7月14日又上头版头条，这次“狗仔队”是都柏林圣三一学院的Graham l. W. Cross教授（下图右），第一作者为其博士生James Annett（下图左）。

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七个隆冬最开始看到这个封面的时候，我在想，弱的物理表面力竟然战胜了共价键，还只是撕一下就好了。我的天呐~（请自动脑补岳云鹏），我还是给你点灵感好了。

很多重大的发现都来自美丽的意外。还是博士生的James Annett当时在研究石墨烯作为干燥的超级润滑剂的性能。某天，他注意到石墨烯上剪下的图案形状随着时间的推移在发生变化。当他仔细观察之后，发现了在石墨烯层上他们自己形成了美丽的、界限清晰的结构。他意识到他们用来研究摩擦的方法实际上使石墨烯成型，达到石墨烯自发重排。上帝给你机会，你也得能抓住才是。就像苹果砸到牛顿头上，就发生了万有引力；如果砸到普通人头上，可能只是多了一个大包而已。

他们当时正在测试层状材料在加热到150℃之后的摩擦性能，突然发现一个小型、花朵外形的缺陷。进一步研究披露，该缺陷是因为原始层上一个孔引起的。这个团队就很好奇呀，然后就要再重复一下呀，就加热另一个石墨烯层，然后利用一点钻石，具有一个锋利的三边的顶端。研究者观察到，随着孔附近的材料自发向后剥皮，产生了三个小的石墨烯丝带，平躺在原始表面上。天啊，我的天啊，我的个乖乖隆地洞咚咚个天呀，这是形成了石墨烯丝带吗？研究者相当激动，不是在天然态的孔，条状物越长越宽。在一个测试中，他们记录道，单个丝带近似于0.6微米，在最薄的末端，成为一个15度的锥形角--他们另一端生长到宽度大约1.5微米。他们报道，用尖端摩擦新做的孔允许他们控制剥皮到一个较小的程度。

关于石墨烯的意外故事真心不少呢！石墨烯的发现获得了2010年诺贝尔奖。而得奖者之一的海姆在领诺奖的时候向世界吐槽了中国学生糟糕的语言表达。事情是酱紫。

当时，海姆买了一大块高定向热解石墨，这是一种纯度非常高、通常用于分析的石墨材料。海姆把它交给了他新来的一位中国博士生，并给了他一台非常高级的抛光机，希望他能制作出尽可能薄的薄膜。三个星期过后，这位博士生拿着一个培养皿告诉盖姆说做好了。盖姆用显微镜观察培养皿底部的石墨斑，发现那足有10微米厚，相当于1000层石墨烯的厚度。海姆于是问他，能不能磨得再薄一些？他告诉盖姆，那还再需要一块石墨。要知道这种石墨每块大约要花300美元。海姆承认自己当时的态度可能不太好，于是，那位中国博士生对海姆说：“既然你这么聪明，那你就自己试试吧。”

海姆只得自己做了，不过他采用了一种非常“土”的方法--胶带。于是就得了诺奖。

真实性是毋庸置疑的，没有谁敢在诺奖颁奖典礼上说假话吧。但是，看官请不要急着下结论，毕竟你还不了解事情的始末。感兴趣的多花点功夫，自己去调查一下。这个事情吧，据小强强的看法，谁也没错，老师买了一台挺贵的抛光机，那学生自然就会一门心思用那个剖光机啊。就好比你旁边有一个电脑，你还会想起用算盘吗？海姆自己也说，自己当时的态度是“not very polite”，鉴于大多数中国人的中国式哑巴英语，说出那样的话也不太令人意外。话说回来，如果海姆如果不是最后自己动手了，没准他就永远得不到诺奖呢。这种事情，谁说得准呢？上帝是一个调皮的老头，没事就按往下砸馅饼，砸给谁，什么时候砸，并没有什么定数。

话说七个隆冬是一个资深折纸爱好者，我第一次知道有石墨烯这个东西的时候，我就在想这不和折纸一样一样的嘛。看到这篇封面的时候，我就查了一下，还真有人早就想到这点了。还有人做成了。以后有机会就专门给大家讲讲石墨烯折纸的故事，还有DNA折纸呢。下图为2006年3月16日的Nature封面。

看不清吧，我给你放大了看。

看那个美洲地图，特别小，有多小，500亿份该地图可以装进一滴水里。该地图的制作者是美国加州理工学院的保罗•罗斯蒙德。他将自己研究出的这项新技术，称为“DNA折纸术”。不行了，我说的太多了。以后有机会再说吧。整理一下发型。

20多年前，就有人提议通过石墨烯的自由折叠和裁剪来得到各种形状（Adv. Mater., 1995, 7, 582。标题为Graphene in 3-Dimensions: Towards Graphite Origami 三维石墨烯：向石墨烯折纸进发）。作者的发现证实了“二维材料的能量超乎你想象”。我们可以使他们表现为一个自动的层状结构，在从表面剥皮下来时，可以折叠、撕裂、滑动。更令人欣慰的是，作者已经搞清楚了如何控制这一现象，使它在石墨烯层的不同地方同时发生。

石墨烯和相关的二维材料已经展现出不同寻常的机械性能，类似于折纸和剪纸。对于纸张类似物来说，宏观层和二维固体主要的不同是分子尺度的薄层结构，允许热激发出相当大的出平面运动。目前为止，已经有研究表明热活动能使不受约束的石墨烯片层产生局部褶皱，这有助于从理论上理解石墨烯的热稳定性，并带来意想不到的长程弯曲刚度。本文作者展示了热活化对于二维固体的行为有一个更加显著的影响，导致自发的、自驱动的滑动、撕裂和以接近宏观的尺度从基体上剥皮。作者论证了可拓展的纳米印刷型接触技术可以成核和指挥石墨烯丝带的平行自组装，在周围环境中可控的形状。作者通过一个简单的断裂机械模型来解释这一观察现象，显示了热动力如何驱动石墨烯-石墨烯界面的形成，代替了衬底接触，具有足够的力量来剥皮和撕裂多层石墨烯层。作者的结果显示如何驾驭和集中弱的物理表面力，通过简单的折叠石墨烯外形来撕裂强的共价键。该效应可能给基于二维材料的设备的图案化和机械驱动以希望。

石墨烯宝宝来自二维材料家族，该家族有可能使手机、电脑等电子产业翻天覆地，也可以生产轻质高强的复合材料。现在，人们发现他们具有自组装神功，这些材料可能使新设备成为可能，这些设备有一个响亮的名字--纳米电子机械系统，通过物联网来联系虚拟世界和现实世界。我了个乖乖隆地咚咚锵锵锵锵，二维材料是要上天啊。