纳米折纸:史上最小、原子精确的结构为量子突破奠定了基础

如果你认为学习传统的折纸是一项困难的实践,试着在原子尺度上把你的头缠绕在折纸上。

在今天发表在《科学》(Science)杂志上的《原子精确定制设计折纸石墨烯纳米结构》(atomicprecise, Custom-Design Origami Graphene Nanostructures)一书中,一个国际研究团队就做到了这一点,他们利用对原子的精密控制来实验新结构,为未来几代量子技术的突破奠定了基础。

范德比尔特大学杰出的物理学和工程学教授Sokrates T. Pantelides参与了这项研究。“在未来,这些根本性的发现可能会为我们这一代甚至无法想象的新设备奠定基础。”

范德比尔特大学物理与天文系教授Sokrates Pantelides

而古老的折纸艺术形式目前在大型应用程序中使用,如在建筑或电池设计,研究人员一直试图将折纸技术应用到小的原子结构,包括石墨烯-二维半金属和“supermaterial”捕获的关注世界各地的研究人员对其属性的抗拉强度、灵活性和不渗透性,等等。然而,由于技术限制,研究人员无法使用origami的精细控制来构建和操纵定制石墨烯结构。

Pantelides之间的协作,马里兰大学教授分钟欧阳,和物理研究所的一个研究小组在北京中国科学院Hong-Jun高教授为首的研究结果建立在多年的碳基纳米结构的调查,包括碳纳米管的发现和单层石墨烯的成功的隔离,被授予2010年诺贝尔物理学奖。

该实验由北京的高洪军教授的团队进行,使用低温扫描隧道显微镜操作。这些研究首次成功、精确地折叠和展开石墨烯纳米岛,使其在各种随机选择的方向上折叠和展开——每一个方向都会产生具有不同性质的复杂纳米结构。

下图说明了通过使用折纸来构造(和解构)一个定义良好的、折叠的基于石墨烯的纳米结构。

Graphene-based nanostructure illustration石墨烯基纳米结构的原子精确控制说明

如图所示,折叠这些小的石墨烯碎片可以得到有趣的结构,包括一个管状边缘,类似于之前发现的碳纳米管,以扭曲的角度附着在石墨烯的双层堆叠上。

一些石墨烯纳米岛可以用来形成所谓的分子内连接,这是电子设备的关键部件。研究人员测量了折纸结构的电性能,并利用理论量子计算来阐明它们的原子尺度结构和电子性能,为构建具有工程量子特性的定制纳米结构、最终实现新型设备甚至量子机器打下了基础。

这项工作得到了国家自然科学基金、国家重点研究开发项目和中国科学院的资助。范德比尔特大学的工作得到了美国能源部的支持。马里兰大学的研究工作得到了美国海军研究办公室和国家科学基金会的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.vanderbilt.edu/2019/09/06/nanoscale-origami-smallest-ever-atomically-precise-structures-set-stage-for-quantum-breakthroughs/

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