小強強讀Nature封面：石墨烯二維到三維，撕巴撕巴就好

糯米糯米 7年前 (2016-08-18) 7585瀏覽

Nature封面出來好久了，網上也有一些報道，我看了幾篇，語焉不詳，稀里糊涂一篇文章就完事了，總是不過癮，便覺得有寫一點東西的必要了。既然是封面文章，封面上的內容一定是作者和編輯精挑細選出來的。先看封面（Ribbon Development-Spontaneous self-assembly of graphene sheets to form multi-layer ribbons）：絲帶開拓-石墨烯層的自發的自組裝形成多層絲帶。如果別人問你石墨烯的那個Nature封面講的啥，你就說這個。

石墨烯是個明星，于2016年7月14日又上頭版頭條，這次“狗仔隊”是都柏林圣三一學院的Graham l. W. Cross教授（下圖右），第一作者為其博士生James Annett（下圖左）。

From：linkin；http://www.tcd.ie/

七個隆冬最開始看到這個封面的時候，我在想，弱的物理表面力竟然戰勝了共價鍵，還只是撕一下就好了。我的天吶~（請自動腦補岳云鵬），我還是給你點靈感好了。

很多重大的發現都來自美麗的意外。還是博士生的James Annett當時在研究石墨烯作為干燥的超級潤滑劑的性能。某天，他注意到石墨烯上剪下的圖案形狀隨著時間的推移在發生變化。當他仔細觀察之后，發現了在石墨烯層上他們自己形成了美麗的、界限清晰的結構。他意識到他們用來研究摩擦的方法實際上使石墨烯成型，達到石墨烯自發重排。上帝給你機會，你也得能抓住才是。就像蘋果砸到牛頓頭上，就發生了萬有引力；如果砸到普通人頭上，可能只是多了一個大包而已。

他們當時正在測試層狀材料在加熱到150℃之后的摩擦性能，突然發現一個小型、花朵外形的缺陷。進一步研究披露，該缺陷是因為原始層上一個孔引起的。這個團隊就很好奇呀，然后就要再重復一下呀，就加熱另一個石墨烯層，然后利用一點鉆石，具有一個鋒利的三邊的頂端。研究者觀察到，隨著孔附近的材料自發向后剝皮，產生了三個小的石墨烯絲帶，平躺在原始表面上。天啊，我的天啊，我的個乖乖隆地洞咚咚個天呀，這是形成了石墨烯絲帶嗎？研究者相當激動，不是在天然態的孔，條狀物越長越寬。在一個測試中，他們記錄道，單個絲帶近似于0.6微米，在最薄的末端，成為一個15度的錐形角--他們另一端生長到寬度大約1.5微米。他們報道，用尖端摩擦新做的孔允許他們控制剝皮到一個較小的程度。

關于石墨烯的意外故事真心不少呢！石墨烯的發現獲得了2010年諾貝爾獎。而得獎者之一的海姆在領諾獎的時候向世界吐槽了中國學生糟糕的語言表達。事情是醬紫。

當時，海姆買了一大塊高定向熱解石墨，這是一種純度非常高、通常用于分析的石墨材料。海姆把它交給了他新來的一位中國博士生，并給了他一臺非常高級的拋光機，希望他能制作出盡可能薄的薄膜。三個星期過后，這位博士生拿著一個培養皿告訴蓋姆說做好了。蓋姆用顯微鏡觀察培養皿底部的石墨斑，發現那足有10微米厚，相當于1000層石墨烯的厚度。海姆于是問他，能不能磨得再薄一些？他告訴蓋姆，那還再需要一塊石墨。要知道這種石墨每塊大約要花300美元。海姆承認自己當時的態度可能不太好，于是，那位中國博士生對海姆說：“既然你這么聰明，那你就自己試試吧。”

海姆只得自己做了，不過他采用了一種非常“土”的方法--膠帶。于是就得了諾獎。

真實性是毋庸置疑的，沒有誰敢在諾獎頒獎典禮上說假話吧。但是，看官請不要急著下結論，畢竟你還不了解事情的始末。感興趣的多花點功夫，自己去調查一下。這個事情吧，據小強強的看法，誰也沒錯，老師買了一臺挺貴的拋光機，那學生自然就會一門心思用那個剖光機啊。就好比你旁邊有一個電腦，你還會想起用算盤嗎？海姆自己也說，自己當時的態度是“not very polite”，鑒于大多數中國人的中國式啞巴英語，說出那樣的話也不太令人意外。話說回來，如果海姆如果不是最后自己動手了，沒準他就永遠得不到諾獎呢。這種事情，誰說得準呢？上帝是一個調皮的老頭，沒事就按往下砸餡餅，砸給誰，什么時候砸，并沒有什么定數。

話說七個隆冬是一個資深折紙愛好者，我第一次知道有石墨烯這個東西的時候，我就在想這不和折紙一樣一樣的嘛。看到這篇封面的時候，我就查了一下，還真有人早就想到這點了。還有人做成了。以后有機會就專門給大家講講石墨烯折紙的故事，還有DNA折紙呢。下圖為2006年3月16日的Nature封面。

看不清吧，我給你放大了看。

看那個美洲地圖，特別小，有多小，500億份該地圖可以裝進一滴水里。該地圖的制作者是美國加州理工學院的保羅?羅斯蒙德。他將自己研究出的這項新技術，稱為“DNA折紙術”。不行了，我說的太多了。以后有機會再說吧。整理一下發型。

20多年前，就有人提議通過石墨烯的自由折疊和裁剪來得到各種形狀（Adv. Mater., 1995, 7, 582。標題為Graphene in 3-Dimensions: Towards Graphite Origami 三維石墨烯：向石墨烯折紙進發）。作者的發現證實了“二維材料的能量超乎你想象”。我們可以使他們表現為一個自動的層狀結構，在從表面剝皮下來時，可以折疊、撕裂、滑動。更令人欣慰的是，作者已經搞清楚了如何控制這一現象，使它在石墨烯層的不同地方同時發生。

石墨烯和相關的二維材料已經展現出不同尋常的機械性能，類似于折紙和剪紙。對于紙張類似物來說，宏觀層和二維固體主要的不同是分子尺度的薄層結構，允許熱激發出相當大的出平面運動。目前為止，已經有研究表明熱活動能使不受約束的石墨烯片層產生局部褶皺，這有助于從理論上理解石墨烯的熱穩定性，并帶來意想不到的長程彎曲剛度。本文作者展示了熱活化對于二維固體的行為有一個更加顯著的影響，導致自發的、自驅動的滑動、撕裂和以接近宏觀的尺度從基體上剝皮。作者論證了可拓展的納米印刷型接觸技術可以成核和指揮石墨烯絲帶的平行自組裝，在周圍環境中可控的形狀。作者通過一個簡單的斷裂機械模型來解釋這一觀察現象，顯示了熱動力如何驅動石墨烯-石墨烯界面的形成，代替了襯底接觸，具有足夠的力量來剝皮和撕裂多層石墨烯層。作者的結果顯示如何駕馭和集中弱的物理表面力，通過簡單的折疊石墨烯外形來撕裂強的共價鍵。該效應可能給基于二維材料的設備的圖案化和機械驅動以希望。

石墨烯寶寶來自二維材料家族，該家族有可能使手機、電腦等電子產業翻天覆地，也可以生產輕質高強的復合材料。現在，人們發現他們具有自組裝神功，這些材料可能使新設備成為可能，這些設備有一個響亮的名字--納米電子機械系統，通過物聯網來聯系虛擬世界和現實世界。我了個乖乖隆地咚咚鏘鏘鏘鏘，二維材料是要上天啊。