賓州州立大學(xué)、美國能源部（DOE）的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和洛克希德馬丁航天系統(tǒng)公司探明了一種在二維材料（如石墨烯）中控制缺陷的新方法。這種方法能夠有利于海水淡化膜、能量儲(chǔ)存及傳感技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也有利于先進(jìn)保護(hù)涂層的研究。

    對(duì)于二維材料，比如單原子層的石墨烯，小裂縫或空穴這樣的缺陷會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生巨大的影響。通常，這些缺陷不是人們所想要的。然而，通過一些形式的控制手段，這些缺陷可以用來設(shè)計(jì)新奇且令人滿意的性能。

    賓州州立大學(xué)機(jī)械工程和化學(xué)工程的教授Adri van Duin，作為通訊作者，在ACS Nano期刊上詳細(xì)介紹了這項(xiàng)研究。他表示：“只要你能控制缺陷，你就可以合成任何相應(yīng)形式的石墨烯材料。但是，這要求你能很好地控制缺陷結(jié)構(gòu)和缺陷行為。我們所做的研究，向這個(gè)目標(biāo)邁出了一大步。”

    Adri van Duin是文章的共同作者，同時(shí)也是數(shù)學(xué)模型和Reactive Force Field Method（ReaxFF）模擬技術(shù)的主要開發(fā)者。這個(gè)模型能夠預(yù)測成千上萬的原子在外力場下的相互作用，比如用惰性氣體原子轟擊石墨烯。

    惰性氣體，如氦、氖、氬、氪和氙等，常用于制造缺陷來改變石墨烯性能。將一個(gè)或多個(gè)碳原子轟擊出石墨烯鐵絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的空穴在摻雜過程中被其他原子或分子所填充。摻雜可以改變石墨烯的化學(xué)或電學(xué)性能，比如海水淡化膜允許水分子通過而過濾掉鹽顆粒。

    van Duin也是材料計(jì)算中心（賓州州立大學(xué)材料研究所用戶設(shè)備的一個(gè)部門）的主任，他介紹道：“對(duì)于惰性氣體離子加速進(jìn)入石墨烯的過程，我們已經(jīng)做了一系列的原子尺度模擬。模擬出的很多缺陷圖案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，這意味著我們的模擬能告知實(shí)驗(yàn)者，原子類型和加速度對(duì)缺陷類型的影響。”

    因?yàn)槿毕菘梢匝葑兂刹煌男螤睿蛘咴诋a(chǎn)生后的幾秒鐘之內(nèi)就改變位置，所以van Duin的研究小組也模擬了將石墨烯置于烘箱中高溫加熱退火以得到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的情況。

    van Duin表示，在計(jì)算成千上萬原子的相互作用時(shí)，由于穩(wěn)定材料需要的時(shí)間尺度所產(chǎn)生的計(jì)算代價(jià)，將實(shí)驗(yàn)的尺寸、時(shí)間和接觸范圍用于原子尺度的模擬是很罕見的。由van Duin 和 Caltech's William Goddard研發(fā)的ReaxFF技術(shù)能夠模擬原子鍵形成和斷裂過程中，分子和材料中化學(xué)和物理的相互作用。

    文章的主要作者、van Duin課題組的一名研究生Kichuel Yoon說道：“這項(xiàng)研究為石墨烯放射的原子尺度的詳細(xì)信息，提供了一種獨(dú)到見解，并且是二維功能碳材料設(shè)計(jì)的初步探索。”

    van Duin補(bǔ)充道：“很顯然，這項(xiàng)研究無論如何不能繞過石墨烯，任何二維材料都可以做同樣的模擬。只要有人想研究二維材料的摻雜，或者想了解缺陷，那么就一定會(huì)對(duì)這些的模擬感興趣。”

    研究人員打算繼續(xù)和洛克希德馬丁公司合作，深入研究二維材料在航空航天中的應(yīng)用，并且計(jì)劃研究以石墨烯為基礎(chǔ)的海水淡化技術(shù)。洛克希德馬丁公司的Jacob Swett為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了樣品，這對(duì)項(xiàng)目的推進(jìn)至關(guān)重要。

    為了將模擬過程和實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，研究人員借助橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的納米材料科學(xué)中心（CNMS），用離子轟擊材料產(chǎn)生缺陷，并通過原子分辨率成像手段表征這些缺陷。

    一位橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的研發(fā)人員Raymond Unocic說：“在納米材料科學(xué)中心（CNMS），我們有國家最先進(jìn)的氦和氖離子束以及像差校正掃描透射電子顯微鏡，可以用來進(jìn)行原子尺度的表征。”