研究人员通过彩虹散射破解"神奇材料"石墨烯的奥秘

研究人员通过彩虹散射破解"神奇材料"石墨烯的奥秘石墨烯还可能存在结构缺陷，在某些情况下，这些缺陷会对其功能造成损害，而在其他情况下，这些缺陷对其所选择的应用至关重要。这意味着，通过控制缺陷的实施，可以对石墨烯二维晶体的理想特性进行微调。在《欧洲物理杂志D》（EPJD）发表的一篇新论文中，塞尔维亚贝尔格莱德大学温查核科学研究所的米利沃耶-哈季约伊奇和马尔科-乔西奇研究了光子穿过石墨烯时的彩虹散射，以及它如何揭示这种神奇材料的结构和缺陷。虽然还有其他研究石墨烯瑕疵的方法，但这些方法都有缺点。例如，拉曼光谱无法区分某些缺陷类型，而高分辨率透射电子显微镜能以出色的分辨率表征晶体结构缺陷，但其使用的高能电子会使晶格退化。"彩虹效应在自然界中并不罕见。在原子和分子散射中也发现了彩虹效应。它是在薄晶体的离子散射实验中被探测到的。我们从理论上研究了低能质子在石墨烯上的散射，证明彩虹效应也发生在这一过程中，"Hadžijojić说。"此外，我们还证明，可以通过质子彩虹散射效应研究石墨烯结构和热振动"。二人利用一种称为彩虹散射的过程，观察了质子穿过石墨烯时所产生的衍射以及所形成的"彩虹"图案。研究人员对衍射图样进行了特征描述，发现完美的石墨烯呈现出彩虹图案，其中中间部分是一条单线，内部部分呈现出六边形对称图案，而不完美的石墨烯则不具备这种对称性。科学家们还得出结论，特定的缺陷类型会产生各自不同的彩虹图案，这可以在未来的研究中用于识别和表征石墨烯样品中的缺陷类型。哈季约吉奇总结说："我们的方法相当独特，有可能成为石墨烯和类似二维材料的一种有用的补充表征技术。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374327.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374327.htm

研究发现纳米材料氧化石墨烯可通过肠道微生物组影响免疫系统

研究发现纳米材料氧化石墨烯可通过肠道微生物组影响免疫系统"该论文的通讯作者、瑞典卡罗林斯卡学院环境医学研究所教授BengtFadeel说："这表明我们必须将肠道微生物组纳入我们对纳米材料如何影响免疫系统的理解。研究结果对于确定纳米材料的潜在不利影响以及在新材料中减轻或防止这种影响非常重要。"石墨烯是一种极薄的材料，比人的头发还要薄一百万倍。它由单层碳原子组成，比钢铁更坚固，但又有弹性、透明和导电性。这使得它在众多的应用中极为有用，包括在配备有可穿戴电子设备的"智能"纺织品中，以及作为复合材料的组成部分，以增强现有材料的强度和导电性。随着石墨烯基纳米材料使用的增加，需要研究这些新材料如何影响身体。人们已经知道纳米材料会对免疫系统产生影响，近年来的一些研究表明，它们也会影响肠道微生物组，即胃肠道中自然存在的细菌。纳米材料、肠道微生物组和免疫力之间的关系是本研究使用斑马鱼进行的主题。被调查的纳米材料是氧化石墨烯，它可以被描述为石墨烯的一个相对物，由碳原子和氧原子组成。与石墨烯不同，氧化石墨烯可溶于水，是医学研究的兴趣所在，例如，作为在体内输送药物的一种手段。在这项研究中，研究人员让成年斑马鱼通过水接触氧化石墨烯，并分析了它如何影响微生物组的组成。他们既使用了正常的鱼，也使用了在其肠道细胞中缺乏一种叫做芳烃受体（通常缩写为AhR）的受体分子的鱼，这是一种对各种内源性和细菌性代谢物的受体。"我们能够表明，当我们将鱼暴露在氧化石墨烯中时，肠道微生物组的组成发生了变化，即使是低剂量，AhR也会影响肠道微生物组，"该研究的第一作者、卡罗林斯卡学院环境医学研究所的博士后研究员彭国涛说。研究人员还生成了完全缺乏天然肠道微生物组的斑马鱼幼体，这使得研究个别微生物组成分的影响成为可能，在这种情况下，丁酸（一种脂肪酸），它由某些类型的肠道细菌分泌。众所周知，丁酸能够与AhR结合。这样做，研究人员发现，氧化石墨烯和丁酸的组合在鱼体内产生了所谓的2型免疫力。结果发现，这种效果取决于肠道细胞中AhR的表达。"这种类型的免疫力通常被视为对寄生虫感染的一种反应。"彭国涛说："我们的解释是，肠道免疫反应可以以类似于处理寄生虫的方式处理氧化石墨烯。"使用一种先进的免疫细胞绘图方法，研究人员还能够表明，在斑马鱼幼虫中发现了一种叫做先天淋巴细胞的免疫系统组成部分。这表明斑马鱼是研究免疫系统的一个良好模型，包括原始或先天免疫系统。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336795.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336795.htm

通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素

通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素华盛顿大学领导的研究小组发现，将石墨烯薄片以很小的扭曲角度堆叠在块状石墨上（上图），石墨烯-石墨界面（黄色）上的"奇异"特性就会渗入石墨本身。资料来源：埃利斯-汤普森多年来，科学家们一直在探索由单层原子组成的二维材料的潜力，以彻底改变计算、通信和能源等各个领域。在这些材料中，电子等亚原子粒子只能在二维空间运动，这导致了电子的异常行为和所谓的"奇异"特性。这些特性包括奇异的磁性、超导性和电子间的其他集体行为--所有这些都可能在计算、通信、能源和其他领域大有用武之地。传统上，研究人员认为这些奇异的二维特性只存在于单层薄片或短堆栈中，而这些材料的所谓"块体"版本则由于其复杂的三维原子结构而表现出不同的行为。与上述假设相反，华盛顿大学领导的研究小组于7月19日在《自然》杂志上发表的一项突破性研究表明，有可能赋予石墨这种日常铅笔中的大块三维材料以类似于其二维对应物石墨烯的特性。这一突破不仅出乎意料，研究小组还认为其方法可用于测试类似类型的块状材料是否也能具有类似二维的特性。如果是这样，二维薄片将不会是科学家们推动技术革命的唯一来源，块状三维材料可能同样有用。"将单层堆叠在单层上--或将两层堆叠在两层上--几年来一直是揭示二维材料新物理特性的重点。在这些实验方法中，出现了许多有趣的特性，"资深作者、华大物理学和材料科学与工程学助理教授马修-扬科维茨（MatthewYankowitz）说。"但是，如果不断增加层数会发生什么呢？最终，它必须停止，对吗？这就是直觉的暗示。但在这种情况下，直觉是错误的。在三维材料中混合二维特性是可能的。"由大阪大学和日本国立材料科学研究所的学者组成的研究小组采用了一种常用的方法来处理二维材料。他们以很小的扭曲角度将二维薄片堆叠在一起。研究人员将单层石墨烯置于薄的块状石墨晶体之上，并在两者之间引入了约1度的扭曲角。他们不仅在扭曲的界面上，而且在块状石墨内部发现了新颖的、意想不到的电学特性。Yankowitz同时也是华大清洁能源研究所和华大纳米工程系统研究所的教员，他解释说，扭曲角对于产生这些特性至关重要。二维薄片（如两片石墨烯）之间的扭曲角度会产生所谓的摩尔纹，从而改变电子等带电粒子的流动，诱导材料产生奇特的性质。在石墨和石墨烯的实验中，扭转角度也诱发了摩尔纹，产生了令人惊讶的结果。仅在石墨烯-石墨界面引入的扭曲改变了整个石墨材料的电特性。当施加磁场时，石墨晶体深处的电子表现出与扭曲界面类似的异常特性。从本质上讲，单个扭曲的石墨烯-石墨界面变得与块状石墨的其他部分密不可分地混合在一起。"虽然我们只是在石墨表面产生摩尔纹，但由此产生的特性却渗透到整个晶体中，"共同第一作者、华盛顿大学物理学博士后研究员达肯-沃特斯（DacenWaters）说。对于二维薄片来说，摩尔纹产生的特性可用于量子计算和其他应用。在三维材料中诱导类似的现象，将为研究不寻常和奇异的物质状态以及如何将它们带出实验室、带入我们的日常生活提供新的方法。共同第一作者、华盛顿大学物理学博士生埃利斯-汤普森（EllisThompson）说："整个晶体都呈现出这种二维状态。这是影响块体材料中电子行为的一种全新方式。"扬科维茨和他的团队认为，他们在石墨烯和块状石墨晶体之间产生扭转角的方法可以用来制造其姊妹材料的2D-3D混合体，包括二碲化钨和五碲化锆。这将开启一种新方法，利用单一二维界面重新设计传统块体材料的特性。Yankowitz说："这种方法可以成为研究具有混合二维和三维特性的材料中令人兴奋的新物理现象的一个真正丰富的乐园。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371903.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371903.htm

研究人员实现用飞秒激光进行石墨烯纳米加工

研究人员实现用飞秒激光进行石墨烯纳米加工石墨烯于2004年被发现，它已经彻底改变了各种科学领域。它拥有高电子迁移率、机械强度和热导率等显著特性。人们投入了大量的时间和精力来探索它作为下一代半导体材料的潜力，催生了基于石墨烯的晶体管、透明电极和传感器等一系列有用部件。但是，为了使这些设备进入实际应用，关键是要有高效的加工技术，可以在微米和纳米尺度上构造石墨烯薄膜。通常，微/纳米尺度的材料加工和设备制造采用纳米光刻技术和聚焦离子束方法。然而，由于需要大规模的设备、冗长的制造时间和复杂的操作，这些都给实验室研究人员带来了长期的挑战。早在一月份，东北大学的研究人员创造了一种技术，可以对厚度为5至50纳米的氮化硅薄片进行微/纳米制造。该方法采用了飞秒激光，它发射出极短的快速光脉冲。事实证明，它能够在没有真空环境的情况下快速、方便地加工薄型材料。(a)激光加工系统的示意图。(b)石墨烯薄膜上32个激光点的形成。(c)经过多点钻孔的石墨烯薄膜的图像。通过将这种方法应用于石墨烯的超薄原子层，同一小组现在已经成功地进行了多点钻孔而不损坏石墨烯薄膜。他们的突破性细节于2023年5月16日在《纳米通讯》杂志上报道。东北大学先进材料多学科研究所的助理教授、该论文的共同作者YuukiUesugi说："通过对输入能量和激光射击次数的适当控制，我们能够执行精确的加工并创造出直径从70纳米--远小于520纳米的激光波长--到超过1毫米的孔。"通过扫描透射电子显微镜观察到的激光加工的石墨烯薄膜的图像。黑色区域表示打孔。白色物体表示表面污染物。资料来源：YuukiUesugi等人。在通过高性能电子显微镜仔细检查用低能量激光脉冲照射的区域时，上杉和他的同事发现，石墨烯上的污染物也已被清除。进一步的放大观察发现了直径小于10纳米的纳米孔和原子级缺陷，在石墨烯的晶体结构中缺少几个碳原子。石墨烯中的原子缺陷既是有害的也是有利的，这取决于应用。虽然缺陷有时会降低某些特性，但它们也会引入新的功能或增强特定的特性。通过高倍率透射电子显微镜获得的图像。红色区域表示纳米孔。蓝色区域表示污染物。箭头所指的位置存在原子缺陷。"观察到纳米孔和缺陷的密度随着激光射击的能量和数量成比例增加的趋势，使我们得出结论，纳米孔和缺陷的形成可以通过使用飞秒激光照射来操纵，"Uesugi补充说。"通过在石墨烯中形成纳米孔和原子级缺陷，不仅可以控制导电性，还可以控制量子级特性，如自旋和谷值。此外，这项研究中发现的通过飞秒激光照射去除污染物的方法可以开发出一种非破坏性和清洁地清洗高纯度石墨烯的新方法。"展望未来，该团队旨在建立一种使用激光的清洗技术，并对如何进行原子缺陷的形成进行详细调查。进一步的突破将对从量子材料研究到生物传感器开发等领域产生巨大影响。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1363301.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1363301.htm

纳米波纹石墨烯成为强大的催化剂

纳米波纹石墨烯成为强大的催化剂科学家们发现，石墨烯中的纳米波纹使它成为一种强大的催化剂，尽管它被认为是化学惰性的。他们发表在PNAS上的研究表明，石墨烯表面的纳米级波纹可以加速氢气的分裂，就像最好的金属基催化剂一样，而且这种效应可能存在于所有二维材料中。本周发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的研究表明，表面有纳米级波纹的石墨烯可以加速氢气的分裂，就像最好的金属基催化剂一样。这种意想不到的效果可能存在于所有二维材料中，这些材料本身都是不平坦的。曼彻斯特团队与来自中国和美国的研究人员合作进行了一系列的实验，以证明石墨烯的非平坦性使其成为一种强大的催化剂。首先，利用超灵敏的气流测量和拉曼光谱，他们证明了石墨烯的纳米级波纹与它与分子氢（H2）的化学反应性有关，并且它解离成原子氢（H）的活化能相对较小。顶部有离解氢原子的波纹石墨烯。资料来源：曼彻斯特大学研究小组评估了这种反应性是否足以使该材料成为高效的催化剂。为此，研究人员使用了氢气和氘气（D2）的混合气体，发现石墨烯确实表现为一种强大的催化剂，将氢气和D2转化为HD。这与石墨和其他碳基材料在相同条件下的行为形成了鲜明的对比。气体分析显示，单层石墨烯产生的HD量与已知的氢气催化剂（如氧化锆、氧化镁和铜）大致相同，但石墨烯只需要极少量，不到后者催化剂的100倍。"我们的论文表明，独立的石墨烯与化学性质极其惰性的石墨和原子平坦的石墨烯都有很大不同。"论文第一作者孙鹏展博士说："我们还证明了与石墨烯表面的空位、边缘和其他缺陷等'通常嫌疑人'相比，纳米级的波纹对催化作用更为重要。"论文的第一作者Geim教授补充说："由于热波动和不可避免的局部机械应变，所有原子级薄的晶体都会自然发生纳米波纹，其他二维材料也可能显示出类似的增强反应性。至于石墨烯，我们当然可以期待它在其他反应中具有催化和化学活性，而不仅仅是涉及氢气的反应。""二维材料最常被认为是原子级的平板，由不可避免的纳米级波纹造成的影响至今被忽视。我们的工作表明，这些影响可能是戏剧性的，这对二维材料的使用有重要影响。例如，块状硫化钼和其他茂金属经常被用作三维催化剂。现在我们应该想一想，它们在二维形式下是否会更加活跃"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349743.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349743.htm

石墨烯神奇之处始于平坦：质子渗透性之谜迎刃而解

石墨烯神奇之处始于平坦：质子渗透性之谜迎刃而解十年前，曼彻斯特大学的科学家们惊奇地发现，石墨烯对质子（氢原子的原子核）具有渗透性。这一意想不到的结果引起了科学界的争论，因为根据已有的理论预测，质子需要数十亿年才能穿过石墨烯密集的晶体结构。因此，有理论认为，质子可能是通过石墨烯上的微小针孔而不是晶格穿越的。今天（8月23日），《自然》杂志报道了质子在石墨烯中传输的超高空间分辨率测量结果，证明完美的石墨烯晶体对质子具有渗透性。令人意想不到的是，质子在晶体的纳米级皱纹和波纹周围被强烈加速。这项研究由PatrickUnwin教授领导的华威大学和MarceloLozada-Hidalgo博士及AndreGeim教授领导的曼彻斯特大学合作完成。这一发现有望加速氢经济的发展。目前用于生成和利用氢气的昂贵催化剂和薄膜有时会对环境造成严重影响，而更可持续的二维晶体可以取代这些催化剂和薄膜，从而减少碳排放，并通过生成绿色氢气实现净零排放。研究小组使用了一种称为扫描电化学细胞显微镜（SECCM）的技术来测量从纳米级区域收集到的微小质子电流。这样，研究人员就能直观地看到质子电流通过石墨烯膜的空间分布。如果质子传输像一些科学家推测的那样是通过孔洞进行的，那么电流就会集中在几个孤立的点上。结果没有发现这样的孤立点，这就排除了石墨烯膜中存在孔洞的可能性。论文的主要作者SegunWahab博士和EnricoDaviddi博士评论说："我们惊讶地发现石墨烯晶体中完全没有缺陷。我们的研究结果提供了石墨烯本质上可渗透质子的微观证明。"意想不到的是，质子电流在晶体纳米级皱纹周围被加速。科学家们发现，这是因为皱纹有效地"拉伸"了石墨烯晶格，从而为质子渗透原始晶格提供了更大的空间。现在，这一观察结果使实验与理论相吻合。洛萨达-伊达尔戈博士说："我们实际上是在拉伸一个原子尺度的网格，并观察到更大的电流通过这个网格中被拉伸的原子间空间，这真是令人难以置信。"Unwin教授评论道："这些结果展示了我们实验室开发的SECCM是一种从微观角度深入了解电化学界面的强大技术，它为设计涉及质子的下一代膜和分离器开辟了令人兴奋的可能性。"作者们对这一发现在实现基于氢的新技术方面的潜力感到非常兴奋。Lozada-Hidalgo博士说："利用二维晶体中波纹和皱纹的催化活性，是加速离子传输和化学反应的一种全新方法。这可能导致氢相关技术的低成本催化剂的开发。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379057.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379057.htm