最近石墨烯研究新聞不斷, 俄羅斯朗道理論物理研究所的科學家們發現石墨烯的泊松比可通過改變外加拉力控制, 這個發現完結了眾科學家對石墨烯泊松比曠日持久的爭論. 為什麼石墨烯的泊松比如此重要?因為它不僅僅是一個性能指數, 它身後隱匿著眾多特性都會直接影響到我們對石墨烯的定義, 所以這次發現是顛覆性的.
眾所周知, 奇蹟材料石墨烯是由單層碳原子組成的二維材料, 它非常具有爭議性, 因為它在很多方面表現出與傳統材料完全不同的異常行為. 其中之一就是它的電性能和彈性之間的關係, 石墨烯具有極高的電荷遷移率, 但是這個值並不是固定的, 會受彈性影響, 在不同的彈性力下遷移率值會大幅改變. 物理學家一直在試圖找到充分反映這種異常行為的原因, 他們希望找到能夠解釋這種現象並且普遍適用的物理特徵. 一旦解決了, 我們將能更有效地使用石墨烯, 也更容易創造所需的新材料. 但是, 研究人員一直沒有發現任何合理解釋, 直到最近.
對於大多數材料, 受到拉伸時, 它們都發生橫向收縮, 就像拉橡皮筋一樣. 然而, 大約在一百年前, 德國物理學家沃爾德馬沃伊特發現黃鐵礦晶體在拉伸下卻發生膨脹. 這類拉伸時表現出異常行為的材料被稱為拉脹材料, 在20世紀70年代後期, 科學家第一次人造出這類材料. 拉脹材料異常的秘密來自它們不尋常的幾何形狀, 當材料鬆弛時, 它們的結構單元相互摺疊, 但當受到拉應力時, 摺疊結構被拉展開, 尺寸瞬間變大.
圖a為普通材料和拉脹材料受到拉伸時的狀態, 可見受拉時拉脹材料的摺疊單元展開, 橫向尺寸增大;圖b為根據miura-ori規則摺疊出的產品, 在拉直時出現拉脹特性. 圖片來源: 朗道理論物理研究所
拉脹材料具有許多不同尋常的功能, 這些功能將有助於改進現有技術並建立新技術. 傳統材料在受熱時會膨脹, 這會產生各種機械應力並進一步擾動破壞它們的原有性能. 但拉脹材料恰恰相反, 在受熱時它們可能會收縮, 因此我們可以試圖用拉脹材料和傳統材料複合做成具有零膨脹比的複合材料. 這樣子的話, 隨著溫度的升高, 傳統材料體積擴大, 但拉脹材料可以很好地進行彌補實現最後體積的穩定.
我們通常定義材料在張力下橫向收縮或伸展的材料能力稱為泊松比. 對於普通材料泊松比一般都是正值, 但拉脹材料的泊松比是負值. Kachorovskii說: '科學家們一直對石墨烯泊松比感興趣, 很長一段時間以來, 我們普遍認為它是負值. 但是最近的一些數值計算表明, 石墨烯泊松比可能是正值也可能是負值. 乍一看, 各種計算結果完全相互矛盾. '
泊松比的測量是很難的, 對石墨烯來說更難. 因為生長石墨烯一般都是在襯底上, 各種各樣的襯底會妨礙我們測到石墨烯真正的泊松比值. 如果我們不用襯底, 單片的石墨烯又非常小, 根本不可能將它夾在夾具上進行受控拉伸試驗. 那泊松比就不需要測了麼?不, 研發碳材料技術的研究者和工程師們對這個有需求, 他們需要準確知道石墨烯是否拉脹.
所以朗道理論物理研究所的科學家們一直在這個問題上努力, 他們起始是想設法 '調和' 之前矛盾的計算結果, 並找到精確的石墨烯泊松比參數. 然而, 隨著研究向前推進, 他們發現這個數不是固定值, 它會隨著所施加的張力發生改變. 研究員Kachorovskii對此補充道: '石墨烯受到很大的拉應力時, 會像普通材料一樣泊松比為正值. 然而隨著拉應力減小, 石墨烯就開始呈現出拉脹材料的特性, 表現出負的泊松值. '
隨後, 他們對泊松比與拉伸之間的這種不尋常的聯繫進行了解釋. 雖然大部分人看到的石墨烯圖片都是平坦的二維碳原子片, 但事實不是這樣. 它們其實有很多彎曲和波浪, 這些彎曲波沿著這個 '薄片' 運行. 它們傾向於將石墨烯從扁平狀態變成皺摺狀態, 所以石墨烯不是單純的扁平狀而是褶皺狀, 它們 '摺疊' 得如此恰當以至於表現得像平坦的二維結構. Kachorovskii解釋說: '長期以來科學界對膜的認識, 是相信不會存在像石墨烯這樣的二維晶體的, 他們認為它們總是努力縮小成球.
'然而正如我們所見, 石墨烯的發現粉碎了這個理論. 石墨烯表面的存在一定類似於拉伸壓縮的波動, 它們和表面的褶皺會發生非線性作用, 妨礙石墨烯收縮成球. 所以嚴格說來, 石墨烯其實算不得二維晶體, 它應該是處於二維和三維之間的中間態. '
那泊松比值到底為什麼會改變符號?這是因為在外加拉力下, 石墨烯表面固有的拉壓波動會和外應力造成的滑動作用產生一個競爭作用. 當外應力較高, 則拉脹行為被抑制, 泊松比表現為正值, 當外應力減小, 則石墨烯表面褶皺產生的拉壓波動起主導作用, 使泊松比變負值, 這就是泊松比符號發生變化的原因.
Kachorovskii說: '橫向彎曲波的褶皺中存儲了額外的能量, 這是石墨烯表現出異常彈性和其他特殊性質的原因. 這也就解釋了石墨烯受熱為什麼會縱向收縮, 因為它的橫向褶皺處發生了摺疊, 所以表現出和大部分材料都不同的收縮行為. 因此我們認為那個能夠解釋石墨烯行為的普遍特徵就是泊松比. 只要對泊松比了解得足夠透徹, 我們將能更清晰地解釋石墨烯的異常行為並進一步預測其他性能. '
更有意義的是, 目前的成果也解釋了為什麼以前對石墨烯泊松比的研究會有矛盾. '通過計算, 我們得到了一個分析完整石墨烯薄片的彈性平衡方程組, 結果表明石墨烯薄膜有兩種行為模式: 通常情況下, 石墨烯的所有性質由標準值確定, 算得泊松比是正值. 與此同時, 對於比所謂的金茲堡長度(對於石墨烯, 金茲堡的長度範圍是從40到70埃)大的樣本, 拉脹行為出現, 計算得到負泊松比. ' Kachorovskii補充道, '實際中使用的樣本尺寸肯定更大, 因此我們可以看到最不尋常的拉脹行為. '
這種現象的解釋也與不同類型的波相關, 這些波以非常複雜的方式相互作用. 金茲堡長度表徵了這些相互作用不再被忽略的尺度, 在這個尺度上它們開始使材料出現異常行為, 比如這種大規模的相互作用阻礙二維晶體收縮成球. 不同的物質具有不同的金茲堡長度, 知道它們的具體範圍對新材料的開發極其重要.
Kachorovskii提醒到, 通常人們在沒有計算金茲堡長度的情況下創造新材料, 然後試圖在它們的屬性中發現特殊之處, 這是完全不對的做法. 倘若金茲堡長度大到1公裡, 那麼普通大小的樣本根本就不會顯示出任何特殊屬性. 所以說知道金茲堡長度是非常重要的.
石墨烯泊松比的爭論告一段落, 石墨烯拉脹異常行為也得到一個完美的解釋. 鑒於石墨烯的性能如此容易受外加力的影響, 我們可以用它建造高敏感的聲音感測器, 因為聲波可以拉伸石墨烯膜, 在不同的拉伸程度下石墨烯的電阻也會顯著改變. 朗道理論物理研究所的研究院已經把這個應用提上日程了, 他們計算過這種探測器的靈敏度極高. 除此之外, 聲音在拉脹材料中的傳播速度遠高於正常材料, 因此當石墨烯處於拉脹狀態時, 聲音傳播得超快, 有利於我們建造響應速度超快的感測器, 能夠快速檢測聲音的振蕩變化.