由于石墨烯等2D材料具有廣泛相關(guān)的獨特物理和化學(xué)性質(zhì)，在柔性電子學(xué)、能量轉(zhuǎn)換和存儲、等離子體以及傳感器中應(yīng)用前景可觀，目前已被廣泛研究，但大部分研究工作都是基于這些2D材料處于固有平面幾何形狀的。然而，具有小型化特點的彎曲和折疊結(jié)構(gòu)可以為諸如可穿戴電子設(shè)備、生物或可分散傳感器、致動器等帶來巨大應(yīng)用前景。此外，有人提出這些2D材料的物理和化學(xué)特性可能會受到曲率，褶皺和折痕的強烈影響。

       通常的技術(shù)手段通過彎曲，起皺或折疊將這些原子平面材料轉(zhuǎn)變成3D幾何形狀，可以顯著改變它們的性質(zhì)并產(chǎn)生新穎的結(jié)構(gòu)和外形緊湊的設(shè)備，目前關(guān)于石墨烯折疊或起皺的研究主要利用石墨烯的原子級厚度和極低的彎曲剛度。例如，在強烈的機械外力下，或是在生長、轉(zhuǎn)移期間使用彎曲的模板都可以使懸浮的石墨烯片折疊。另外，還有研究使用界面張力和預(yù)張拉或厚梯度交聯(lián)的聚合物-石墨烯雙層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)起皺、折疊石墨烯。但是這些方法形成的三維幾何結(jié)構(gòu)的精度和可調(diào)諧性都很有限，而且由于其依賴于厚基底或多層結(jié)構(gòu)，這需要苛刻的條件并會顯著增厚折疊的石墨烯。

       理論研究表明，這種折疊可以被精確地控制，從而產(chǎn)生新穎的三維幾何結(jié)構(gòu)。然而，受外部環(huán)境刺激（如與生物系統(tǒng)相容的溫度）控制的自我折疊目前還沒有得到驗證。這種受控的自我折疊是非常難以用原始石墨烯實現(xiàn)的，因為石墨烯本身的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。因此，石墨烯的表面官能化是必要的，同時保留石墨烯的sp2雜化和優(yōu)異的內(nèi)在電性質(zhì)也是很重要的。

       近日，美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)研制出一種制備超薄熱敏性自折疊3D石墨烯的制備方法。將單層石墨烯折疊和展開為預(yù)先設(shè)計的有序3D結(jié)構(gòu)。該方法使用聚多巴胺，以非共價方式將石墨烯表面官能化。官能化石墨烯經(jīng)過光刻圖案化和自折疊成有序的三維結(jié)構(gòu)，此過程完全受溫度控制，且變形可逆。該結(jié)構(gòu)通過光譜和顯微鏡來表征，使自折疊使用多尺度分子動力學(xué)模型合理化。該項研究為設(shè)計和制造具有可預(yù)測形狀和動力學(xué)的有序3D石墨烯結(jié)構(gòu)提供了潛力。研究人員表示可用該技術(shù)封存活細(xì)胞、建立非線性電阻以及為晶體管器件增加褶皺

       研究人員通過修改石墨烯的表面，賦予它熱敏性，并將官能化的石墨烯圖案化成超薄自我折疊的前體。

單層石墨烯的表面官能化和圖案化

       首先，使用一種生物粘附劑—聚多巴胺（PD），使石墨烯以非共價方式實現(xiàn)表面官能化。由于其對鄰苯二酚/醌基團的反應(yīng)性，PD還能夠進行多種化學(xué)反應(yīng)以進行隨后的官能化，因此本研究中使用的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）等響應(yīng)性聚合物可以進一步接枝到表面。之后，使用光刻和等離子蝕刻將官能化的單層石墨烯圖案化為各種尺寸和形狀。最后，從基底釋放官能化的石墨烯圖案，并且在加熱PNIPAM的較低臨界溶解溫度（LCST）以上時，2D前驅(qū)體自身折疊成有序3D微結(jié)構(gòu)，這是由接枝聚合物刷的分子構(gòu)象變化引起的。官能化的石墨烯非常薄，在5nm到10nm范圍內(nèi)。此外，非共價鍵方法保留了石墨烯的固有性質(zhì)和低彎曲剛度。通過使用計算機輔助設(shè)計光掩模板可以有效控制2D前驅(qū)體的形狀，達到形狀可調(diào)的效果。

       這種新方法具有兩大優(yōu)勢，其一，能避免之前工藝中出現(xiàn)的石墨烯特性受損，折疊過程可完全保留石墨烯的導(dǎo)電導(dǎo)熱等性能；其二，3D形狀內(nèi)的折痕可形成能量帶隙，進一步提高石墨烯的導(dǎo)電性能。該超薄熱敏性自折疊3D石墨烯可用于制造可折疊電子器件，以及生物傳感和分子機器人中相關(guān)的一系列3D碳結(jié)構(gòu)。