原子級(jí)精確的碳納米材料不斷為材料科學(xué)帶來(lái)突破和驚喜，最近的一次，當(dāng)屬魔角石墨烯了。理論預(yù)測(cè)，單層或雙層石墨烯經(jīng)過(guò)折疊或者卷曲，形成的石墨烯納米結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)出有趣的電子特性。不過(guò)，這種折疊方法至今未能實(shí)現(xiàn)。
有鑒于此，中科院物理所高鴻鈞、杜世萱研究員合作報(bào)道了一種原子級(jí)精確的石墨烯折紙復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)，為探索石墨烯的新性能打開(kāi)了新方向。
要點(diǎn)1：在4K低溫條件下，研究人員利用STM針尖對(duì)石墨表面刻蝕的石墨烯納米島進(jìn)行折疊和展開(kāi)操作，折疊方向或任意為之不設(shè)限制?；蜓刂付ǚ较?。折疊角度可以精確控制以在雙層石墨烯中創(chuàng)造不同的扭曲角，并形成管狀邊緣。
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要點(diǎn)2：對(duì)單晶石墨烯納米島進(jìn)行折疊，可以形成管狀邊緣，這種邊緣具有特殊的手性以及類(lèi)似碳納米管的一維電子特性。對(duì)雙晶（bicrystal）石墨烯納米島進(jìn)行折疊，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的分子間連接。
要點(diǎn)3：所有折紙結(jié)構(gòu)模型和電子能帶結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。他們還折疊出5-7環(huán)缺陷，并通過(guò)STM探索了這種異質(zhì)結(jié)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征。
總之，這種原子級(jí)精確的石墨烯折紙為構(gòu)建具有量子特性的碳納米結(jié)構(gòu)提供了獨(dú)特的平臺(tái)，為量子機(jī)器的實(shí)現(xiàn)提供了思路。
高鴻鈞，中科院院士，中科院物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，副所長(zhǎng)。國(guó)家973計(jì)劃咨詢(xún)專(zhuān)家組成員，國(guó)際真空科學(xué)、技術(shù)與應(yīng)用聯(lián)合會(huì)（IUVSTA）納米科學(xué)委員會(huì)主席，美國(guó)Appl. Phys. Lett.雜志副主編。主要研究方向:未來(lái)信息科學(xué)中的基本物理問(wèn)題；納米量子結(jié)構(gòu)及其操控；有機(jī)功能分子及其復(fù)合納米體系的組裝；掃描隧道顯微術(shù)在量子結(jié)構(gòu)構(gòu)造中的應(yīng)用；石墨烯材料、物理與器件。
過(guò)去的主要工作及獲得的成果:
在納米體系的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)表征與物性研究中，高鴻鈞及其研究團(tuán)隊(duì)做出了一系列在國(guó)際上有影響力的工作。(1) 在超高密度信息存儲(chǔ)材料與特性的研究方面實(shí)現(xiàn)了單個(gè)分子尺度上的超高密度信息存儲(chǔ)。該項(xiàng)研究從1996年始至今一直持續(xù)居國(guó)際前沿地位，相關(guān)工作在2000年被美國(guó)物理學(xué)會(huì)選為Phys. Rev. Focus和Science News的研究亮點(diǎn)， 稱(chēng)其為“奔向下一代的CD (Toward the next generation CD)；其后NatureMaterials和 Nature Nanotechnology相繼亮點(diǎn)報(bào)道了進(jìn)一步的穩(wěn)定的、重復(fù)的、超高密度信息存儲(chǔ)的工作，“在國(guó)際上首次在單個(gè)Rotaxane類(lèi)分子水平上實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定的超高密度信息存儲(chǔ)”。
(2) 在STM成像機(jī)制方面，通過(guò)改進(jìn)STM針尖，在國(guó)際上首次用STM同時(shí)清晰地分辨出Si(111)7×7表面單胞中的所有原子，顯示了自STM發(fā)明20年以來(lái)最高分辨的Si(111)7×7表面的STM圖像，理論計(jì)算揭示了通過(guò)對(duì)STM針尖的修飾改進(jìn)，可以獲得表面納米結(jié)構(gòu)中更加精細(xì)的電子結(jié)構(gòu)信息。
(3) 在不同金屬表面成功制備了高度有序的、連續(xù)的、單晶石墨烯（graphene）薄膜；觀測(cè)到石墨烯的量子特性，研究了石墨烯的輸運(yùn)性質(zhì)，并利用這種單層石墨烯作為模板控制原子和分子量子結(jié)構(gòu)。石墨烯方面的研究成果2009年被Nature Nanotechnology等作為研究亮點(diǎn)報(bào)道。
杜世萱，中科院物理所研究員，博士生導(dǎo)師。主要從事計(jì)算凝聚態(tài)物理方面的研究。通過(guò)計(jì)算和模擬等手段，利用自行搭建的計(jì)算機(jī)群以及大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)，開(kāi)展功能分子在金屬、半導(dǎo)體等表面的組裝結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)機(jī)制、分子-基底相互作用，以及單分子物性等方面的研究，探索低維納米體系的物理規(guī)律，預(yù)測(cè)材料的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，以及結(jié)構(gòu)與物性之間的關(guān)聯(lián)，為新型低維納米材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用、結(jié)構(gòu)與物性的調(diào)控等提供科學(xué)的依據(jù)。1. 低維納米結(jié)構(gòu)在金屬單晶表面的自組裝機(jī)制、催化特性以及電、磁、光學(xué)特性的第一性原理計(jì)算研究；2. 金屬有機(jī)材料-石墨烯復(fù)合體系的表面及界面電子結(jié)構(gòu)的第一性原理計(jì)算研究；3. 金屬/graphene表面單分子的量子效應(yīng)和表面吸附/催化研究。
1、功能納米結(jié)構(gòu)在金屬表面選擇性組裝機(jī)制及物性。
2、Rotaxane類(lèi)分子的結(jié)構(gòu)與電導(dǎo)轉(zhuǎn)變機(jī)制及其在超高密度信息存儲(chǔ)中的應(yīng)用。
3、具有固定偏心軸的單分子馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制的研究。
4、基于第一性原理計(jì)算，成功解釋了單分子自旋態(tài)量子調(diào)控的機(jī)制。
5、通過(guò)第一性原理計(jì)算研究金屬表面Graphene單層膜結(jié)構(gòu)與物性，以及graphene/金屬表面分子自組裝機(jī)制。
6、與合作者共同提出了一種研究復(fù)雜分子表面動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的新方法：第一性原理靜態(tài)計(jì)算與時(shí)間分辨的隧穿電流譜（I-t）相結(jié)合，獲取表面動(dòng)態(tài)過(guò)程中復(fù)雜分子的準(zhǔn)確構(gòu)型和能態(tài)分布，該研究結(jié)果對(duì)表面動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的研究提出了一種新的研究思路。
HuiChen et al. Atomically precise, custom-design origami graphene nanostructures.Science 2019, 365, 1036-1040.
https://science.sciencemag.org/content/365/6457/1036
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