手风琴效应使石墨烯具有可拉伸性

2004年石墨烯的首个实验证据确立了一个全新的材料类别——所谓二维（2D）固体。其名称源于它们仅有一个原子层厚度的特性，这种结构催生了可能惠及多个应用领域的奇特材料性能。例如石墨烯因其巨大的导电性而突出，同时也具有极高的硬度。这种极端硬度源于材料内部原子呈蜂窝状排列的构型。直观而言，移除材料中部分原子及其键合结构应导致硬度降低。然而科学研究报告显示，既存在轻微降低的现象，也出现了显著提升的情况。

维也纳大学Jani Kotakoski课题组研究人员的最新测量结果现已澄清了这些矛盾。实验采用共享同一超洁净无空气环境的多台尖端设备进行。该系统可实现样本在不同设备间的传输而全程隔绝环境空气。"我们在维也纳大学开发的这套独特系统能排除干扰地研究二维材料，"Jani Kotakoski解释道。研究第一作者Wael Joudi补充："这是首次在石墨烯完全隔离环境空气及其所含异质粒子的条件下开展此类实验。若缺少这种隔离，这些粒子会迅速沉积在材料表面，干扰实验过程和测量结果。"

事实上，正是对材料表面极致洁净度的关注，促使研究者发现了关于石墨烯硬度的"手风琴效应"：仅移除两个相邻原子即可导致初始平坦材料产生可辨识的凸起。多个凸起共同作用形成材料波纹状结构："可将其想象为手风琴——当横向拉伸时，波纹状结构被展平，这远比拉伸平整材料所需力度小，因而其延展性显著提升，"Wael Joudi阐释道。维也纳技术大学理论物理学家Rika Saskia Windisch与Florian Libisch进行的模拟实验，同时验证了波纹结构的形成及其带来的延展性变化。

实验还表明，材料表面的异质粒子不仅会抑制该效应，还会导致相反结果。具体而言，异质粒子的影响使材料表现得更加坚硬，这也解释了过往研究的矛盾现象。"这揭示了处理二维材料时测量环境的重要性。研究结果为调控石墨烯硬度开辟了新路径，为潜在应用铺平了道路，"Wael Joudi总结道。

本研究全部或部分由奥地利科学基金（FWF）资助。