“愛你蒼老的臉上的皺紋”——當石墨烯老了

材料牛注： 繼碳納米管、石墨烯和富勒烯之后又出現了一種新的材料，那就是布滿皺紋的“年老”石墨烯。而使石墨烯變老的罪魁禍首就是讓人敬而遠之的“細菌”，也許細菌這樣做只是因為“愛你蒼老的臉上的皺紋”，且聽細菌最新單曲《當石墨烯老了》。

石墨烯是一種由連接成六角網狀的單層碳原子組成的二維神奇材料，因其出色的導電性能吸引了人們強烈的興趣。現在芝加哥伊利諾伊（Illinois）大學研究人員利用桿狀細菌——在電場下精確對齊，然后在石墨烯片下真空壓縮——在材料中引入納米波紋，使其在垂直方向的導電性不同。

由此產生的近似石墨烯納米燈芯絨材料，可以應用于硅片并可能為石墨烯在電子和納米技術方面增添無限潛力。這一發現報道在ACS Nano上。

圖注：搭載一個芽孢桿菌上的石墨烯的原子力顯微鏡圖像(左圖)。細菌有1微米或1/25,000英寸寬。石墨烯經真空熱處理后規則的皺紋形態(右圖，比左圖放大兩倍)。（圖片來源：芝加哥伊利諾伊（Illinois）大學的Vikas Berry）

UIC的化學工程臨時主管及副教授Vikas Berry領導了這項研究，他說：“穿過石墨烯皺紋的電流小于沿著皺紋的電流。”

Vikas Berry說這些皺紋形成的關鍵是石墨烯在納米尺度下的彈性極限，這也使得碳納米管能夠形成。

Berry 說：“皺紋使得每個碳原子周圍形成一個‘V’字形電子云”，這可以形成偶極矩產生平面石墨烯所沒有的電子帶隙。

Berry說，其他研究人員通過拉伸薄片并使其迅速恢復來制成石墨烯上的皺紋。但這種皺紋并不局限在微觀尺度，也不能指向微小構件的某一位置。

他和同事們利用獨特的方式通過芽孢桿菌引入受限制的、有引導性的且規則的石墨烯皺紋，利用石墨烯本身作為止回閥來改變細胞的體積。

研究人員把細菌放在電場中使它們像熱狗串一樣行間重復排列，然后置于石墨烯頂部。

Bery 說：“在真空條件下，石墨烯上升使水出來，但在壓力條件下石墨烯會落回到基體上并阻止水重新進入細菌。

“納米閥門驅動流體在微生物中單向流動,” Berry說, “將來，這種閥門操作可能應用到只在我們希望的某一方向流動，而在其它方向不流動的微流控元件上。”

在細菌被真空壓縮后，石墨烯重組并出現皺紋。熱處理后，在細菌上端生成的永久性皺紋都縱向排列，高7到10納米且波長為32 nm左右。

高真空下可以利用場發射掃描電鏡觀察皺紋，在大氣壓力下可用原子力顯微鏡觀察。

“皺紋的波長與材料的厚度成正比，再加上石墨烯是世界上最薄的材料” Berry說。“我們設想，利用石墨烯可以制成世界上最小波長的皺紋——約 2納米。”

他說，下一個目標將是設計流程來進一步細化皺紋并改變它們的振幅、波長和縱向長度。

為了測量皺紋取向對載體運輸的影響，論文的第一作者研究生Shikai Deng組裝了一個加號形狀的裝置，該裝置上的細菌對齊平行于一對電極并垂直于另一對。他發現有皺紋的石墨烯的橫向電阻比縱向大。

Berry說定向皺紋引入的石墨烯代表一種全新的材料。“繼碳納米管、石墨烯和富勒烯之后，這是一個新的碳的同素異形體——連接石墨烯的半個碳納米管”他說, “結構不同并具有新的基本電子特性。”

National Science Foundation和UIC資助了這項研究。除了Berry和Deng，ACS Nano研究的聯合作者有UIC化學工程系的Sanjay Behura；清華大學的Enlai Gao、 Yanlei Wang和Zhiping Xu； UIC化學系的Soumyo Sen和Petr Král； 以及Clemson大學的T. S. Sreeprasad。

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

本文由材料人編輯部尉谷雨提供素材，段慧超編譯，趙建偉審核，點我加入編輯部。