最近石墨烯研究新聞不斷，俄羅斯朗道理論物理研究所（ITF）的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)石墨烯的泊松比可通過(guò)改變外加拉力控制，這個(gè)發(fā)現(xiàn)完結(jié)了眾科學(xué)家對(duì)石墨烯泊松比曠日持久的爭(zhēng)論。為什么石墨烯的泊松比如此重要？因?yàn)樗粌H僅是一個(gè)性能指數(shù)，它身后隱匿著眾多特性都會(huì)直接影響到我們對(duì)石墨烯的定義，所以這次發(fā)現(xiàn)是顛覆性的。

　　眾所周知，奇跡材料石墨烯是由單層碳原子組成的二維材料，它非常具有爭(zhēng)議性，因?yàn)樗诤芏喾矫姹憩F(xiàn)出與傳統(tǒng)材料完全不同的異常行為。其中之一就是它的電性能和彈性之間的關(guān)系，石墨烯具有極高的電荷遷移率，但是這個(gè)值并不是固定的，會(huì)受彈性影響，在不同的彈性力下遷移率值會(huì)大幅改變。物理學(xué)家一直在試圖找到充分反映這種異常行為的原因，他們希望找到能夠解釋這種現(xiàn)象并且普遍適用的物理特征。一旦解決了，我們將能更有效地使用石墨烯，也更容易創(chuàng)造所需的新材料。但是，研究人員一直沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何合理解釋，直到最近。

　　對(duì)于大多數(shù)材料，受到拉伸時(shí)，它們都發(fā)生橫向收縮，就像拉橡皮筋一樣。然而，大約在一百年前，德國(guó)物理學(xué)家沃爾德馬沃伊特發(fā)現(xiàn)黃鐵礦晶體在拉伸下卻發(fā)生膨脹。這類拉伸時(shí)表現(xiàn)出異常行為的材料被稱為拉脹材料，在20世紀(jì)70年代后期，科學(xué)家第一次人造出這類材料。拉脹材料異常的秘密來(lái)自它們不尋常的幾何形狀，當(dāng)材料松弛時(shí)，它們的結(jié)構(gòu)單元相互折疊，但當(dāng)受到拉應(yīng)力時(shí)，折疊結(jié)構(gòu)被拉展開(kāi)，尺寸瞬間變大。

　　拉脹材料具有許多不同尋常的功能，這些功能將有助于改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)并創(chuàng)建新技術(shù)。傳統(tǒng)材料在受熱時(shí)會(huì)膨脹，這會(huì)產(chǎn)生各種機(jī)械應(yīng)力并進(jìn)一步擾動(dòng)破壞它們的原有性能。但拉脹材料恰恰相反，在受熱時(shí)它們可能會(huì)收縮，因此我們可以試圖用拉脹材料和傳統(tǒng)材料復(fù)合做成具有零膨脹比的復(fù)合材料。這樣子的話，隨著溫度的升高，傳統(tǒng)材料體積擴(kuò)大，但拉脹材料可以很好地進(jìn)行彌補(bǔ)實(shí)現(xiàn)最后體積的穩(wěn)定。

　　我們通常定義材料在張力下橫向收縮或伸展的材料能力稱為泊松比。對(duì)于普通材料泊松比一般都是正值，但拉脹材料的泊松比是負(fù)值。Kachorovskii說(shuō)：“科學(xué)家們一直對(duì)石墨烯泊松比感興趣，很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，我們普遍認(rèn)為它是負(fù)值。但是最近的一些數(shù)值計(jì)算表明，石墨烯泊松比可能是正值也可能是負(fù)值。乍一看，各種計(jì)算結(jié)果完全相互矛盾。”

　　泊松比的測(cè)量是很難的，對(duì)石墨烯來(lái)說(shuō)更難。因?yàn)樯L(zhǎng)石墨烯一般都是在襯底上，各種各樣的襯底會(huì)妨礙我們測(cè)到石墨烯真正的泊松比值。如果我們不用襯底，單片的石墨烯又非常小，根本不可能將它夾在夾具上進(jìn)行受控拉伸試驗(yàn)。那泊松比就不需要測(cè)了么？不，研發(fā)碳材料技術(shù)的研究者和工程師們對(duì)這個(gè)有需求，他們需要準(zhǔn)確知道石墨烯是否拉脹。

　　所以朗道理論物理研究所的科學(xué)家們一直在這個(gè)問(wèn)題上努力，他們起始是想設(shè)法“調(diào)和”之前矛盾的計(jì)算結(jié)果，并找到精確的石墨烯泊松比參數(shù)。然而，隨著研究向前推進(jìn)，他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)數(shù)不是固定值，它會(huì)隨著所施加的張力發(fā)生改變。研究員Kachorovskii對(duì)此補(bǔ)充道：“石墨烯受到很大的拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)像普通材料一樣泊松比為正值。然而隨著拉應(yīng)力減小，石墨烯就開(kāi)始呈現(xiàn)出拉脹材料的特性，表現(xiàn)出負(fù)的泊松值。”

　　隨后，他們對(duì)泊松比與拉伸之間的這種不尋常的聯(lián)系進(jìn)行了解釋。雖然大部分人看到的石墨烯圖片都是平坦的二維碳原子片，但事實(shí)不是這樣。它們其實(shí)有很多彎曲和波浪，這些彎曲波沿著這個(gè)“薄片”運(yùn)行。它們傾向于將石墨烯從扁平狀態(tài)變成皺折狀態(tài)，所以石墨烯不是單純的扁平狀而是褶皺狀，它們“折疊”得如此恰當(dāng)以至于表現(xiàn)得像平坦的二維結(jié)構(gòu)。Kachorovskii解釋說(shuō)：“長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)界對(duì)膜的認(rèn)識(shí)，是相信不會(huì)存在像石墨烯這樣的二維晶體的，他們認(rèn)為它們總是努力縮小成球。

　　“然而正如我們所見(jiàn)，石墨烯的發(fā)現(xiàn)粉碎了這個(gè)理論。石墨烯表面的存在一定類似于拉伸壓縮的波動(dòng)，它們和表面的褶皺會(huì)發(fā)生非線性作用，妨礙石墨烯收縮成球。所以嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，石墨烯其實(shí)算不得二維晶體，它應(yīng)該是處于二維和三維之間的中間態(tài)。”

　　那泊松比值到底為什么會(huì)改變符號(hào)？這是因?yàn)樵谕饧永ο拢┍砻婀逃械睦瓑翰▌?dòng)會(huì)和外應(yīng)力造成的滑動(dòng)作用產(chǎn)生一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)作用。當(dāng)外應(yīng)力較高，則拉脹行為被抑制，泊松比表現(xiàn)為正值，當(dāng)外應(yīng)力減小，則石墨烯表面褶皺產(chǎn)生的拉壓波動(dòng)起主導(dǎo)作用，使泊松比變負(fù)值，這就是泊松比符號(hào)發(fā)生變化的原因。

　　Kachorovskii說(shuō)：“橫向彎曲波的褶皺中存儲(chǔ)了額外的能量，這是石墨烯表現(xiàn)出異常彈性和其他特殊性質(zhì)的原因。這也就解釋了石墨烯受熱為什么會(huì)縱向收縮，因?yàn)樗臋M向褶皺處發(fā)生了折疊，所以表現(xiàn)出和大部分材料都不同的收縮行為。因此我們認(rèn)為那個(gè)能夠解釋石墨烯行為的普遍特征就是泊松比。只要對(duì)泊松比了解得足夠透徹，我們將能更清晰地解釋石墨烯的異常行為并進(jìn)一步預(yù)測(cè)其他性能。”

　　更有意義的是，目前的成果也解釋了為什么以前對(duì)石墨烯泊松比的研究會(huì)有矛盾。“通過(guò)計(jì)算，我們得到了一個(gè)分析完整石墨烯薄片的彈性平衡方程組，結(jié)果表明石墨烯薄膜有兩種行為模式：通常情況下，石墨烯的所有性質(zhì)由標(biāo)準(zhǔn)值確定，算得泊松比是正值。與此同時(shí)，對(duì)于比所謂的金茲堡長(zhǎng)度（對(duì)于石墨烯，金茲堡的長(zhǎng)度范圍是從40到70埃）大的樣本，拉脹行為出現(xiàn)，計(jì)算得到負(fù)泊松比。”Kachorovskii補(bǔ)充道，“實(shí)際中使用的樣本尺寸肯定更大，因此我們可以看到最不尋常的拉脹行為。”

　　這種現(xiàn)象的解釋也與不同類型的波相關(guān)，這些波以非常復(fù)雜的方式相互作用。金茲堡長(zhǎng)度表征了這些相互作用不再被忽略的尺度，在這個(gè)尺度上它們開(kāi)始使材料出現(xiàn)異常行為，比如這種大規(guī)模的相互作用阻礙二維晶體收縮成球。不同的物質(zhì)具有不同的金茲堡長(zhǎng)度，知道它們的具體范圍對(duì)新材料的開(kāi)發(fā)極其重要。

　　Kachorovskii提醒到，通常人們?cè)跊](méi)有計(jì)算金茲堡長(zhǎng)度的情況下創(chuàng)造新材料，然后試圖在它們的屬性中發(fā)現(xiàn)特殊之處，這是完全不對(duì)的做法。倘若金茲堡長(zhǎng)度大到1公里，那么普通大小的樣本根本就不會(huì)顯示出任何特殊屬性。所以說(shuō)知道金茲堡長(zhǎng)度是非常重要的。

　　石墨烯泊松比的爭(zhēng)論告一段落，石墨烯拉脹異常行為也得到一個(gè)完美的解釋。鑒于石墨烯的性能如此容易受外加力的影響，我們可以用它建造高敏感的聲音傳感器，因?yàn)槁暡梢岳焓┠ぃ诓煌睦斐潭认率┑碾娮枰矔?huì)顯著改變。朗道理論物理研究所的研究院已經(jīng)把這個(gè)應(yīng)用提上日程了，他們計(jì)算過(guò)這種探測(cè)器的靈敏度極高。除此之外，聲音在拉脹材料中的傳播速度遠(yuǎn)高于正常材料，因此當(dāng)石墨烯處于拉脹狀態(tài)時(shí)，聲音傳播得超快，有利于我們建造響應(yīng)速度超快的傳感器，能夠快速檢測(cè)聲音的振蕩變化。