《Nature》子刊：单层石墨烯的弹性拉伸及其应变调控学术资讯

来源：高分子科学前沿

香港城市大学陆洋教授和清华大学徐志平教授通过合作开发了精准的大面积石墨烯转移、样品形貌控制以及拉伸应变加载技术，结合先进的原子尺度模拟分析，首次实现了对无支撑（free-standing）单层石墨烯的定量原位拉伸测试，日前在英国《自然·通讯》上发表报告（Elastic straining of free-standing monolayer graphene ）。相关结果和实验技术有助推动石墨烯在轻量化复合材料，柔性电子器件以及应变工程等应用。

此前大量的理论计算均已表明，单层石墨烯具有非常高的弹性模量和强度，被视为有广泛应用潜力的「超级材料」。然而由于其构造上仅有薄薄一层原子，研究人员要开展相关的定量力学研究仍需面对不少挑战。香港城市大学纳米力学实验室的研究人员藉助新开发的技术，实现了对单层石墨烯的定量拉伸测试。实验结果表明，通过化学气相沉积制备（CVD）的高质量单层石墨烯在拉伸条件下可实现高达5%的完全可恢复弹性变形，其断裂应变更达约6%；同时，其弹性模量接近于理论值约1000吉帕（GPa），而抗拉强度达到了50至60吉帕，达到了石墨烯理想强度的一半。

报告通讯作者之一、香港城市大学陆洋教授解释：「此前研究通常展示的都是石墨烯的理论性质和局域小范围的理想极限，实际上并没有真正去拉伸测试一张无支撑的大面积单层石墨烯。我们克服了许多实验困难，首次测得接近真实应用的场景中，单层石墨烯在拉伸载荷下的力学性质依然能相当接近理论极限。」该研究展示了即使在有着边界以及边缘缺陷的情况下，大面积的高质量单层石墨烯依然能够展现接近理想的力学性能，具备极高的拉伸弹性和可靠性，而这些对于石墨烯未来在柔性电子器件和高强度复合材料等实际应用方面有着积极的意义。

同时，这项工作更证实了单层石墨烯具备极好的晶格变形能力，这也是此前没有预料的（通常对于石墨烯拉伸变形，以往实验结果通常在~1%以内），为其深层次弹性应变工程(“deep elastic strain engineering”)调控奠定了实验基础---由于材料的物理化学性质与其晶体几何结构（lattice geometry）密切相关，而石墨烯展现出来的巨大晶格变形能力，结合该工作开发的纳米力学调控手段，正可以实现对石墨烯（包括其他的二维材料）的物理化学性质进行连续、可逆、动态的改变。结合最近刚刚获得2020年沃尔夫物理奖的扭转双层石墨烯技术(twistronics)，该研究发展的拉伸（stretch）应变调控对于双层石墨烯及其他半导体二维材料未来在超薄电子器件、高性能太阳能电池，或者高功率能源存储和转换器件等应用大有潜力。

目前有业内人士呼吁建立有关石墨烯产业应用的国际标准，这项成果将有助形成石墨烯在工况下的真实力学性能标准，从而推动这种高性能材料更好地应用在不同领域，比如制造出更好的飞机、高铁轻量化复合材料部件以及更强韧的柔性触摸屏和电子设备等。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-14130-0

来源：Polymer-science 高分子科学前沿

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