石墨烯之所以容易折疊和形成皺褶是由于它只由一個(gè)原子層組成，正如一張紙容易打皺變形一樣?？墒钱?dāng)把一個(gè)紙板壓制成有著高低起伏波紋狀結(jié)構(gòu)，形如超市中用來盛裝雞蛋的紙板盒的時(shí)候，其力學(xué)強(qiáng)度和性能就會(huì)瞬間得到大幅度的提升。那么關(guān)鍵的問題是能否在石墨烯的六角蜂窩狀原子晶格上構(gòu)建出雞蛋盒樣的幾何形態(tài)。

由美國(guó)加州州立大學(xué)北嶺分校苗茂生教授、北京計(jì)算科學(xué)研究中心的林海清教授和吉林大學(xué)的劉靖堯教授共同組成的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)這一有趣的重要問題展開了多年的理論計(jì)算研究。這一課題的主要承擔(dān)人是目前任教于浙江農(nóng)林大學(xué)理學(xué)院的劉偉副教授。他們首先注意到，石墨烯中的五元環(huán)和七元環(huán)缺陷能夠使石墨烯片層產(chǎn)生不同的拓?fù)湫巫?，包括極大、極小值點(diǎn)和鞍點(diǎn)。如果把這些缺陷有規(guī)律地排布，就能讓石墨烯形成類似雞蛋盒的幾何形變。通過改變?nèi)毕莸拿芏群团挪挤绞?，各種不同形態(tài)的蛋盒石墨烯都可以被構(gòu)造出來。利用第一性原理計(jì)算方法，劉偉副教授和他的合作者們研究了一系列蛋盒石墨烯的穩(wěn)定性，以及力學(xué)性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)這些新型石墨烯同素異形體獨(dú)特的幾何形態(tài)使得該類材料具有更高的力學(xué)強(qiáng)度和各異的電子性能。對(duì)應(yīng)于不同的幾何形態(tài)，蛋盒石墨烯可以是半金屬，也可以是具有直接或間接帶隙的半導(dǎo)體。還有一些蛋盒石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)中具有狄拉克錐結(jié)構(gòu)。值得注意的是，除了提高力學(xué)強(qiáng)度外，一些蛋盒石墨烯還顯示出負(fù)的泊松比，即當(dāng)?shù)昂惺┰谘卦訉悠矫鎯?nèi)某一方向受壓的時(shí)候，它在該方向上以及原子層平面內(nèi)該方向的垂直方向上都會(huì)發(fā)生收縮。該項(xiàng)研究工作提出了一種有效改善石墨烯力學(xué)和電子性能的新方法，可為實(shí)現(xiàn)更多具有優(yōu)良或獨(dú)特性能的新型石墨烯基材料的設(shè)計(jì)提供進(jìn)一步的理論指導(dǎo)。

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