Self-Folding and Self-Scrolling Mechanisms of Edge-Deformed Graphene Sheets: A Molecular Dynamics Study
这项分子动力学研究表明，边缘变形石墨烯片自发折叠和自发卷曲成石墨烯基纳米折叠或纳米卷轴的行为，关键取决于初始边缘扭转角和温度，特定的配置会导致单折叠、多折叠或双态形态。
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想象一下这样一种材料：它薄到几乎只有一层原子，却又强韧到足以支撑一辆自行车，并且具有足够的柔韧性可以编织成织物。这就是石墨烯，一种碳的形式，它凭借其能够弯曲、扭转和卷曲而不破裂的独特能力，俘获了科学家的想象力。虽然我们通常认为这类材料是扁平且静态的，但自然界却有一种让它们卷曲起来的方式。在合适的条件下，这些薄片可以自发地扭转成紧密的螺旋状，或者像纸张一样折叠起来，从而创造出具有不同电学和机械性能的新形状。准确理解这些转变是如何以及为何发生的，对于那些希望利用碳来制造微型机器或先进电池的工程师来说至关重要，但这一过程发生得太快，且尺度太小，以至于即使是最强大的显微镜也无法实时观察。
为了解开这个谜团，研究人员马塞洛·洛佩斯·佩雷拉·朱尼尔（Marcelo Lopes Pereira Junior）和路易斯·安东尼奥·里贝罗·朱尼尔（Luiz Antonio Ribeiro Junior）求助于一种被称为分子动力学模拟的强大工具。他们没有构建物理模型，而是使用超级计算机创建了一个石墨烯片的虚拟版本，使他们能够观察每一个原子的运动，就像在观看一部高速电影一样。他们从边缘预先扭转过的薄片开始，模拟了一种特定的实验设置，即通过旋转碳层来形成复杂的结构。通过调整这些扭转的角度并在不同温度下运行模拟，他们可以精确观察薄片随时间变化的反应，追踪驱动材料改变形状的能量变化。
研究人员发现，边缘扭转的程度就像一个开关，决定了石墨烯最终的形状。当边缘被适度扭转时，薄片并不会卷起；相反，它会向自身折叠，形成一个整齐的堆叠结构。这种折叠发生得极其迅速，通常在仅几万亿分之一秒内就完成了。然而，当扭转角度增加超过某个临界点时，行为发生了彻底的变化。薄片开始卷曲成螺旋状，看起来像卷轴或卷起的报纸。这种向卷轴的转变同样很快，但需要更强的初始扭转力来克服碳原子的自然刚性。团队发现，如果扭转程度过轻，薄片只会恢复到扁平状态，无法克服自身的刚性来形成新形状。
其中最引人注目的发现之一是温度如何影响这些变化。在较低温度下，薄片可以形成复杂的结构，例如边缘相遇并结合在一起的双折叠形状。但随着研究人员加热模拟环境，原子的剧烈抖动破坏了这些脆弱的键结。在某些情况下，原本在室温下会折叠成两层的结构，在加热后会塌陷成单层，因为热能太强，导致双折叠无法维持。然而，卷轴表现出了更强的韧性；即使在高温下，一旦石墨烯形成了螺旋，它往往会保持原样，尽管有热量存在仍能维持其形状。
或许最令人惊讶的结果发生在研究人员以不同的程度扭转薄片的两个边缘时。在这种情况下，石墨烯并没有选择单一路径。相反，它创造了一种混合结构，其中一侧折叠，而另一侧卷成卷轴。这种同时包含折叠部分和卷轴部分的双重状态，在以前从未被观察到过。模拟显示，这种混合形状是稳定的，并且无论温度如何都能形成，这表明当受到冲突方向的作用时，材料具有寻找这两种不同形式之间平衡点的自然倾向。
这项研究还揭示了薄片边缘原子的特定排列方式并不会改变结果。无论边缘是排列成直线还是锯齿状，薄片的表现都是一样的，即根据扭转角度和温度进行折叠或卷曲。这表明驱动这些变化的机制对于这类碳材料是通用的，更多取决于整体形状和能量，而非边缘的微观细节。通过绘制出这些路径，研究人员为边缘变形的石墨烯提供了一个清晰的图景，为未来的实验提供了指南。他们展示了通过仔细控制边缘的扭转，可以引导材料变成特定类型的折叠或卷轴结构，从而为设计具有精确、定制形状的碳基材料打开了大门。
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