石墨烯，这种单原子层厚度的碳原子二维材料，自2004年被首次实验制备以来，便以其独特的物理性质吸引了全球科学界的广泛关注。它不仅展示了极佳的电学性能，如超高的电子迁移率和导电性，同时其机械强度也位列所有材料之冠，这使得石墨烯被誉为“奇迹材料”。然而，石墨烯的极端刚性也限制了其在某些应用场景中的灵活性，尤其是在需要材料具备一定可拉伸性和适应性形变的柔性电子领域。近期维也纳大学的研究团队通过揭示石墨烯内部“折叠效应”的机制，成功赋予了石墨烯卓越的拉伸性能，开启了其在实际应用中的新篇章。 在科学技术迅猛发展的今天，柔性电子设备已经成为科技创新的重要方向之一。智能手机、可穿戴设备、柔性显示屏、医疗监测仪器等均在追求更轻薄、柔软和可伸缩的材料方案。
传统的导电材料往往因刚性大、易断裂限制了设备的伸展与弯曲，而石墨烯的高强度和优异导电性使其成为理想的候选材料。然而，单层石墨烯的刚性带来了结构上的硬限制，难以通过简单拉伸实现形变。维也纳大学物理学家贾尼·科塔科斯基（Jani Kotakoski）及其团队采用一种全球独特的无空气超洁净测量方法，成功观察并揭示了石墨烯中缺陷缺失区域引发的局部凹凸不平——即“折叠效应”，这种现象使得石墨烯像手风琴一样产生波纹，极大增强了其拉伸性能。 这项突破性的研究成果，是在对二维材料进行极端条件下精密测量的基础上实现的。研究者们开发了一个全封闭、无空气进入的测量系统，使样品在传输与检测过程中避免接触空气及其中的杂质粒子，保证了对石墨烯真实物理状态的精准捕捉。此前，环境中微小颗粒的污染会导致测量结果失真，使得对石墨烯机械性能的理解出现了诸多争议。
通过剔除外界环境影响，研究团队首次展现了石墨烯表面缺陷处因邻近两个原子缺失而诱发的起伏波纹。这些波纹组成的结构类似于手风琴的折叠，当施加拉伸力时，波纹可以逐渐拉直，承受变形所需的力远低于直接拉伸平整表面的力，从而实现了极佳的延展性。 理论计算与模拟同样支持了这一发现。维也纳理工大学的理论物理学家莱卡·萨斯基亚·温迪施（Rika Saskia Windisch）和弗洛里安·利比施（Florian Libisch）通过高精度模拟验证了折叠形成机制及其对材料机械软化的关键作用。模拟结果表明，缺陷引起的翘曲结构对降低石墨烯整体刚性起到了决定性影响，且折叠效应的出现使石墨烯在承受外力时具备更高的形变适应能力，这无疑对未来设计可控机械性能的二维材料具有深远意义。 除了科学发现，研究团队还指出，材料表面外来的颗粒和杂质会抑制折叠效应的发挥，使石墨烯表现出更为僵硬的形态。
这也解释了以往不同实验中关于石墨烯刚性变化的矛盾观察结果。显然，只有保持实验环境极度洁净，才能准确揭示和利用二维材料的真实物理表现。在实际应用层面，如何在大规模制备和应用中维持这种超洁净状态，是实现折叠效应赋予的卓越拉伸性的关键挑战之一。 从应用视角来看，“折叠效应”赋予石墨烯延展性的突破为智能穿戴设备、柔性显示屏、软体机器人、生物医疗传感器等领域带来了广阔的发展前景。拥有拉伸性能的石墨烯能够在反复弯曲、拉伸环境中保持性能稳定，减少材料疲劳破坏的风险，大幅提升设备的耐用性与舒适性。此外，通过精准控制石墨烯缺陷的形成与分布，有望进一步调节材料的力学性能，实现根据应用需求定制功能。
此外，这一发现不仅丰富了二维材料的理论体系，也为新型结构设计提供了灵感。折叠波纹结构的机械调控可以推广应用于其他二维材料乃至多层复合材料中，推动纳米结构设计向更高效、智能化方向发展。作为未来纳米电子和纳米机械的基础素材，石墨烯的多功能性能正日益成为创新前沿。 此次研究获得奥地利科学基金（FWF）的资助，成果已发表于国际顶尖学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters），为全球二维材料研究提供了重要参考和新的研究方向。研究负责人贾尼·科塔科斯基及其团队的努力，展现了科学探索极致实验条件和理论模拟相结合的重要价值，也彰显了科学研究推动技术革新的潜力。 综上所述，通过超洁净无空气环境下的精密实验和计算模拟，维也纳大学团队揭示了石墨烯因邻近缺陷原子产生的折叠效应，这种结构波纹极大地提升了其机械拉伸性能，使得传统刚硬的石墨烯变得柔韧可控。
折叠效应不仅解释了以往材料力学性能上的矛盾记载，也为未来基于二维材料的可穿戴电子设备、柔性传感器等高性能应用奠定了坚实基础。随着研究的深入，石墨烯的机械性能调控将进入新的阶段，助力下一代智能材料与器件的实现，为人类社会科技进步注入强劲动力。
