Dynamical Formation of Graphene and Graphane Nanoscrolls
分子动力学模拟表明，虽然石墨烯和石墨烯/石墨烯烷混合纳米带可以在特定温度范围内围绕碳纳米管动态地形成纳米卷轴，但完全氢化的石墨烯烷纳米带仅会包裹在纳米管上而不会发生卷曲。
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想象一个由碳原子片构成的世界，这些片层薄得几乎是二维的，却又足够坚固，足以支撑起电子技术和储能技术的未来。这就是石墨烯的领域，自从它作为单层石墨被分离出来以来，就一直令科学家们着迷。虽然我们通常认为这些材料是扁平的，但它们也可以被卷起来。当被卷成完美的圆柱体时，它们就变成了碳纳米管，以其强度和导电性而闻名。然而，还有另一种卷法：将其卷成一种松散的、类似于古代莎草纸卷轴的螺旋形状。这些被称为碳纳米卷轴。与密封的管状结构不同，这些卷轴具有开放的末端，允许它们在径向上扩张和收缩，这一特性使其在微型电池和机械开关的应用中具有广阔前景。挑战始终在于如何可靠地制造它们。创造一个完美的螺旋是非常困难的，因为材料并不总是愿意自动卷曲，而且精确控制有多少层相互缠绕一直是研究人员面临的一个持久障碍。
为了解决这个问题，来自巴西的一个科学家团队转向了计算机模拟的力量，以观察这些材料在原子水平上的行为。他们专注于一种特定的方法，即利用碳纳米管作为触发器来启动卷曲过程。研究人员想要观察在碳片表面添加氢原子是有助于还是阻碍这种自我卷曲动作。他们构建了三个不同的数字模型来进行测试。在第一个模型中，他们在两个纯碳片附近放置了一个纳米管。在第二个模型中，他们将一个纯碳片与一个完全被氢原子覆盖的碳片（一种被称为石墨烯的材料）配对。在第三个模型中，他们将两个被氢覆盖的碳片配对在一起。随后，他们在从室温到极高热度的各种温度下运行了这些模拟，以观察材料随时间的变化反应。
接下来的发生情况清晰地展示了化学是如何决定形状的。在前两种情景中，即至少有一个碳片是纯碳时，纳米管成功触发了碳片的卷曲。碳片开始弯曲，相互重叠，形成一个紧密且稳定的螺旋。这个过程发生得相对迅速，纯碳片和混合碳片在大约50皮秒（即一万亿分之一秒）内就完成了卷曲。模拟显示，即使其中一个碳片被氢覆盖，层与层之间的吸引力也足以将它们拉入卷轴。研究人员观察到，随着卷轴的形成，系统的总能量下降并最终稳定在一个稳态，这证实了该螺旋是一个稳定、低能量的形状。
然而，第三种情景讲述了另一个故事。当两个碳片都被氢原子覆盖时，结果未能形成卷轴。这些被氢覆盖的碳片并没有卷曲成螺旋，而是紧紧地包裹在纳米管上，形成了一种类似锁定的机制，阻止了各层为了产生必要的重叠而进行相互滑动。尽管缺乏卷曲过程，这些碳片在覆盖纳米管表面时仍表现出不连续的皱纹和褶皱，而不是形成一个完美的套筒。碳片表面的氢原子产生了一种摩擦力，彼此推挤，从而完全停止了自我卷曲的过程，无论温度升高还是降低。研究人员发现，这种行为在所有的测试运行中都是一致的，表明在相互作用的两侧都存在氢是决定性因素。
研究还揭示，虽然热量会使原子振动得更剧烈，并可能使初始卷曲变得稍微困难，但它并未阻止成功案例中的过程。即使在高温下，纯碳片和混合碳片仍然能够形成它们的螺旋，尽管达到这一目标需要更多的能量。这些模拟的核心结论是，表面的化学组成至关重要。如果你想通过这种方法制造碳纳米卷轴，参与相互作用的所有表面都不能被氢涂层覆盖。通过理解这些特定的原子相互作用，科学家可以更好地设计制造这些独特材料所需的条件，从而有望开启构建未来微型高性能设备的新途径。
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