以石墨烯为代表的二维材料具有丰富的物理、化学性质，是当今凝聚态物理、材料科学和信息技术等领域的重要研究方向之一。作为一种典型的二维材料，石墨烯展现出了优异的物理性质，如高迁移率、室温量子霍尔效应等。相比于三维材料体系，二维材料的独特优势在于可调控性非常强，可以利用电场、应变场、基底和转角等实现对二维材料新奇物性的调控。对于二维材料结构的调控是发现新物理效应的有效手段。
在过去几年的研究中，北京理工大学黄元教授与国内外合作者围绕二维材料的结构调控发展了多种新技术，如二维材料褶皱、气泡和悬空结构的制备技术等[1-5]，这些新技术实现了二维到一维（褶皱）和三维（气泡）的维度变换，为研究石墨烯等材料的新奇物性提供了材料基础。褶皱通常是二维材料受到面内挤压应力后形成的，是研究二维材料向一维过渡时的典型结构。2020年，黄元教授等与合作者发展了快速冷却法制备二维材料褶皱的新技术，高效的获得了多种二维材料的规则褶皱结构，并发现褶皱产生后的层间距增加效应[1-2]。这一层间距增加的效应可以通过数学上的勾股定理严格证明，是只与层状结构有关，而与具体层状材料类型无关的一条普适性规律。有趣的是，黄元教授与地球科学领域的研究团队合作，发现地壳的层状结构也会产生褶皱（大型山脉）。地壳层间距的增加会为流体物质提供天然通道，从而在宏观层面引发新的现象，统计结果表明世界上大型山脉的分布与地震、火山和矿藏资源分布存在密切关联，这为寻找一些稀有资源提供了新的研究思路[6-8]。因此，关于二维材料褶皱的研究为开展多学科交叉研究提供了一个很好的平台。
近日，北京理工大学前沿交叉科学研究院黄元教授与上海科技大学王竹君教授、中国人民大学季威教授，深圳理工大学丁峰教授，以及中国科学院物理研究所高鸿钧院士等国内外团队开展合作，在二维材料褶皱研究中取得了新的进展。在该工作中，团队合作者利用石墨烯褶皱发展了新型制备螺旋石墨烯的折纸剪纸技术[8]，为揭示螺旋石墨的生长机理以及研究角度依赖的石墨烯量子效应等奠定了坚实的理论基础，文章发表在国际学术期刊《Nature Materials》上（题目：Conversion of chirality to twisting via sequential one-dimensional and two-dimensional growth of graphene spirals），黄元教授为本工作的共同第一作者，王竹君教授，季威教授，丁峰教授，以及德国慕尼黑工业大学Marc-Georg Willinger?教授为本工作的共同通讯作者。
在该工作中，研究人员发现，利用在不同铂（Pt）晶面的台阶形貌、比表面积、能量以及密勒指数之间的差异，可以诱导石墨烯朝特定方向形成褶皱并倾斜(折纸)，从而获得了具有特定手性角度的一维石墨烯带状褶皱结构。在高温下，可以利用氢气对弯曲度较大的石墨烯褶皱进行刻蚀，从而导致石墨烯带状褶皱“撕裂”，边缘被“切开”，从而获得了SP2碳结构的螺旋位错。随后，停止氢气刻蚀过程，使碳原子沿着暴露的石墨烯边界继续层状生长，最终可以得到具有特定固定层间转角的微米甚至毫米级尺寸的石墨烯双/四螺旋结构。这种生长方式是典型Frank-van der Merwe生长类型，相邻的两个螺旋位点之间存在相反的Brug矢量，在生长过程中两个螺旋整体的Brug矢量相互抵消。忽略多层石墨烯的中心区域，即每个石墨烯螺旋出现的地方，多层石墨烯的堆叠顺序与通过逐层成核生长的顺序完全相同。研究人员利用原位扫描电子显微镜（SEM）对石墨烯螺旋的生长过程进行了直接的观察，并通过透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和电输运测量等手段对生长后的石墨烯螺旋进行了表征。
上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金优青项目、中国科学院先导B项目等支持。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01632-y
图1. 石墨烯褶皱折叠并撕裂后的初始化螺旋生长过程。通过扫描电子显微镜可以看出，相邻两个螺旋结构的手性相反。
图2. 石墨烯螺旋的形成过程示意图及扫描电子显微镜照片。制备石墨烯螺旋的过程大致分为褶皱形成阶段，褶皱隆起和撕裂阶段，以及便于边缘被刻蚀后的生长阶段。
图3. 石墨烯螺旋结构的原子力显微镜图片及上视图/侧视图。
附作者简介：
黄元，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师。主要研究领域集中在二维材料的制备、表征、器件加工和物性测量/调控等方向。近年来，黄元与合作者在物理、化学、材料、信息和地质科学领域开展了一系列交叉科学研究。在Nature Materials, Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters，ACS Nano, Nano Letters等共计发表SCI论文120余篇，其中第一作者（含共一）及通讯作者文章60余篇，论文总引用5800余次。主持国家重点研发计划（青年项目），主持国家基金委优秀青年基金和面上项目，重庆市****基金项目。2019年入选中科院青促会会员，2020年入选中科院青促会数理分会理事，2020年获中国科协“中国十大科技新锐人物”荣誉称号，2021年获中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖(排名第一)，2022年获中国发明协会发明创业成果奖二等奖（排名第二）；2023年获日内瓦发明展览会银奖（排名第一）。担任Physical Review Letters，Nature Communications, ACS Nano, Nano Letters，《物理学报》等国内外知名期刊审稿人；担任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年编委。
