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维也纳大学的物理学家与维也纳技术大学的研究人员合作，发现了一种使石墨烯（一种以极高的强度和高导电性而闻名的材料）更具延展性的方法。他们的方法包括在材料中添加微小缺陷，并形成类似于手风琴褶皱的波纹状图案。这一发现可能有助于开发可穿戴电子产品、可卷曲产品等柔性技术。
石墨烯只有一个原子厚，其结构使其非常坚硬。虽然这种硬度在很多方面都很有用，但它限制了材料的弯曲或拉伸程度。自2004年发现以来，科学家们一直尝试通过去除原子来改变其硬度，但结果并不一致。一些研究表明其硬度略有下降，而另一些研究则发现其硬度有所增加。
为了消除这种困惑，维也纳团队在一个特殊的装置中进行了一系列实验，该装置使石墨烯保持完全清洁，不受空气或灰尘的影响。“我们在维也纳大学开发的这套独特系统使我们能够不受干扰地检测二维材料，”该研究的负责人Jani Kotakoski说道。该研究的第一作者Wael Joudi补充道：“这是首次在石墨烯与周围空气及其所含的外来颗粒完全隔离的情况下进行此类实验。如果没有这种隔离，这些颗粒会迅速沉积在石墨烯表面，影响实验过程和测量结果。”
该团队利用低能氩离子（Ar，能量低于 200 eV）在石墨烯中引入缺陷，以可控的方式敲除原子。这些缺失的原子被称为空位。随后，他们利用先进的显微镜和图像分析技术研究原子结构，并利用原子力显微镜（AFM）纳米压痕技术测量了该材料对压力的响应。
在引入缺陷之前，石墨烯的二维弹性模量 (E^2D) 为 286 N/m。引入空位后，该值降至 158 N/m。这是一个非常大的变化——超过了大多数理论的预测——这也解释了为什么早期实验的结果好坏参半。模拟表明，石墨烯的软化主要是由于两个或多个原子缺失的位置周围应变引起的波纹。单个原子缺失对软化影响不大。
“你可以把它想象成一把手风琴。当它被拉开时，波浪形的材料会变平，这比拉伸扁平材料所需的力要小得多，因此它的延展性也更强，”Joudi说道。Rika Saskia Windisch 和 Florian Libisch 的模拟结果支持了这一想法，展示了波纹的形成和延展性的增强。
研究人员还发现，如果在添加缺陷之前未清洁石墨烯表面，则会发生相反的情况，因为它会变得更硬。这是因为表面的污垢或颗粒会阻碍波纹效应。“这表明，在处理二维材料时，测量环境至关重要。该结果开辟了一种调节石墨烯刚度的方法，从而为潜在的应用铺平了道路，”Joudi总结道。
来源：维也纳技术大学、美国物理学会
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