最近石墨烯研究新闻不断, 俄罗斯朗道理论物理研究所的科学家们发现石墨烯的泊松比可通过改变外加拉力控制, 这个发现完结了众科学家对石墨烯泊松比旷日持久的争论. 为什么石墨烯的泊松比如此重要?因为它不仅仅是一个性能指数, 它身后隐匿着众多特性都会直接影响到我们对石墨烯的定义, 所以这次发现是颠覆性的.
众所周知, 奇迹材料石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料, 它非常具有争议性, 因为它在很多方面表现出与传统材料完全不同的异常行为. 其中之一就是它的电性能和弹性之间的关系, 石墨烯具有极高的电荷迁移率, 但是这个值并不是固定的, 会受弹性影响, 在不同的弹性力下迁移率值会大幅改变. 物理学家一直在试图找到充分反映这种异常行为的原因, 他们希望找到能够解释这种现象并且普遍适用的物理特征. 一旦解决了, 我们将能更有效地使用石墨烯, 也更容易创造所需的新材料. 但是, 研究人员一直没有发现任何合理解释, 直到最近.
对于大多数材料, 受到拉伸时, 它们都发生横向收缩, 就像拉橡皮筋一样. 然而, 大约在一百年前, 德国物理学家沃尔德马沃伊特发现黄铁矿晶体在拉伸下却发生膨胀. 这类拉伸时表现出异常行为的材料被称为拉胀材料, 在20世纪70年代后期, 科学家第一次人造出这类材料. 拉胀材料异常的秘密来自它们不寻常的几何形状, 当材料松弛时, 它们的结构单元相互折叠, 但当受到拉应力时, 折叠结构被拉展开, 尺寸瞬间变大.
图a为普通材料和拉胀材料受到拉伸时的状态, 可见受拉时拉胀材料的折叠单元展开, 横向尺寸增大;图b为根据miura-ori规则折叠出的产品, 在拉直时出现拉胀特性. 图片来源: 朗道理论物理研究所
拉胀材料具有许多不同寻常的功能, 这些功能将有助于改进现有技术并创建新技术. 传统材料在受热时会膨胀, 这会产生各种机械应力并进一步扰动破坏它们的原有性能. 但拉胀材料恰恰相反, 在受热时它们可能会收缩, 因此我们可以试图用拉胀材料和传统材料复合做成具有零膨胀比的复合材料. 这样子的话, 随着温度的升高, 传统材料体积扩大, 但拉胀材料可以很好地进行弥补实现最后体积的稳定.
我们通常定义材料在张力下横向收缩或伸展的材料能力称为泊松比. 对于普通材料泊松比一般都是正值, 但拉胀材料的泊松比是负值. Kachorovskii说: '科学家们一直对石墨烯泊松比感兴趣, 很长一段时间以来, 我们普遍认为它是负值. 但是最近的一些数值计算表明, 石墨烯泊松比可能是正值也可能是负值. 乍一看, 各种计算结果完全相互矛盾. '
泊松比的测量是很难的, 对石墨烯来说更难. 因为生长石墨烯一般都是在衬底上, 各种各样的衬底会妨碍我们测到石墨烯真正的泊松比值. 如果我们不用衬底, 单片的石墨烯又非常小, 根本不可能将它夹在夹具上进行受控拉伸试验. 那泊松比就不需要测了么?不, 研发碳材料技术的研究者和工程师们对这个有需求, 他们需要准确知道石墨烯是否拉胀.
所以朗道理论物理研究所的科学家们一直在这个问题上努力, 他们起始是想设法 '调和' 之前矛盾的计算结果, 并找到精确的石墨烯泊松比参数. 然而, 随着研究向前推进, 他们发现这个数不是固定值, 它会随着所施加的张力发生改变. 研究员Kachorovskii对此补充道: '石墨烯受到很大的拉应力时, 会像普通材料一样泊松比为正值. 然而随着拉应力减小, 石墨烯就开始呈现出拉胀材料的特性, 表现出负的泊松值. '
随后, 他们对泊松比与拉伸之间的这种不寻常的联系进行了解释. 虽然大部分人看到的石墨烯图片都是平坦的二维碳原子片, 但事实不是这样. 它们其实有很多弯曲和波浪, 这些弯曲波沿着这个 '薄片' 运行. 它们倾向于将石墨烯从扁平状态变成皱折状态, 所以石墨烯不是单纯的扁平状而是褶皱状, 它们 '折叠' 得如此恰当以至于表现得像平坦的二维结构. Kachorovskii解释说: '长期以来科学界对膜的认识, 是相信不会存在像石墨烯这样的二维晶体的, 他们认为它们总是努力缩小成球.
'然而正如我们所见, 石墨烯的发现粉碎了这个理论. 石墨烯表面的存在一定类似于拉伸压缩的波动, 它们和表面的褶皱会发生非线性作用, 妨碍石墨烯收缩成球. 所以严格说来, 石墨烯其实算不得二维晶体, 它应该是处于二维和三维之间的中间态. '
那泊松比值到底为什么会改变符号?这是因为在外加拉力下, 石墨烯表面固有的拉压波动会和外应力造成的滑动作用产生一个竞争作用. 当外应力较高, 则拉胀行为被抑制, 泊松比表现为正值, 当外应力减小, 则石墨烯表面褶皱产生的拉压波动起主导作用, 使泊松比变负值, 这就是泊松比符号发生变化的原因.
Kachorovskii说: '横向弯曲波的褶皱中存储了额外的能量, 这是石墨烯表现出异常弹性和其他特殊性质的原因. 这也就解释了石墨烯受热为什么会纵向收缩, 因为它的横向褶皱处发生了折叠, 所以表现出和大部分材料都不同的收缩行为. 因此我们认为那个能够解释石墨烯行为的普遍特征就是泊松比. 只要对泊松比了解得足够透彻, 我们将能更清晰地解释石墨烯的异常行为并进一步预测其他性能. '
更有意义的是, 目前的成果也解释了为什么以前对石墨烯泊松比的研究会有矛盾. '通过计算, 我们得到了一个分析完整石墨烯薄片的弹性平衡方程组, 结果表明石墨烯薄膜有两种行为模式: 通常情况下, 石墨烯的所有性质由标准值确定, 算得泊松比是正值. 与此同时, 对于比所谓的金兹堡长度(对于石墨烯, 金兹堡的长度范围是从40到70埃)大的样本, 拉胀行为出现, 计算得到负泊松比. ' Kachorovskii补充道, '实际中使用的样本尺寸肯定更大, 因此我们可以看到最不寻常的拉胀行为. '
这种现象的解释也与不同类型的波相关, 这些波以非常复杂的方式相互作用. 金兹堡长度表征了这些相互作用不再被忽略的尺度, 在这个尺度上它们开始使材料出现异常行为, 比如这种大规模的相互作用阻碍二维晶体收缩成球. 不同的物质具有不同的金兹堡长度, 知道它们的具体范围对新材料的开发极其重要.
Kachorovskii提醒到, 通常人们在没有计算金兹堡长度的情况下创造新材料, 然后试图在它们的属性中发现特殊之处, 这是完全不对的做法. 倘若金兹堡长度大到1公里, 那么普通大小的样本根本就不会显示出任何特殊属性. 所以说知道金兹堡长度是非常重要的.
石墨烯泊松比的争论告一段落, 石墨烯拉胀异常行为也得到一个完美的解释. 鉴于石墨烯的性能如此容易受外加力的影响, 我们可以用它建造高敏感的声音传感器, 因为声波可以拉伸石墨烯膜, 在不同的拉伸程度下石墨烯的电阻也会显著改变. 朗道理论物理研究所的研究院已经把这个应用提上日程了, 他们计算过这种探测器的灵敏度极高. 除此之外, 声音在拉胀材料中的传播速度远高于正常材料, 因此当石墨烯处于拉胀状态时, 声音传播得超快, 有利于我们建造响应速度超快的传感器, 能够快速检测声音的振荡变化.