探索新型低維碳納米材料及其新奇物性一直是當今科技領域的前沿科學問題之一。二維的石墨烯晶格結構被認為是其他眾多的碳納米結構的母體材料。例如，將石墨烯結構沿著某一方向卷曲可以形成一維的碳納米管，將具有五元環和七元環石墨烯結構彎曲成球型結構即可形成富勒烯。石墨烯在未來納米學器件的應用，需要構筑具有三維形貌與精確復雜的新型功能化石墨烯納米結構。目前在單原子層次上精準構筑和調控基于石墨烯的低維碳納米結構仍存在巨大挑戰。
“折紙術”是一種把紙張折出各種特定形狀和花樣的藝術。藝術家們通過精妙的手法，把簡單與單調的二維紙張變成豐富多彩的三維結構。受這種藝術的啟發，折疊操縱經常被巧妙地用在很多科學技術前沿領域，用來構筑形狀與功能各異的結構、器件甚至機器，例如生物學領域可以將DNA單鏈折疊成復雜的二維形狀。在宏觀尺度下，受折紙術的啟發，科學家已經能夠構建出石墨烯功能器件甚至機器模型。理論預測發現，在原子尺度，通過對石墨烯的彎曲折疊，可以構筑出具有新奇電子學特性的納米結構。然而，石墨烯彎曲結構的電子學性質容易受到局域的空位、增原子、邊界等缺陷結構的影響。在單原子尺度精確地折疊石墨烯，特別是根據特殊需要沿特定方向對石墨烯進行折疊，具有極大的挑戰性。
圖1 原子級精確石墨烯折紙術構筑三維石墨烯納米結構。
最近，中國科學院院士、中國科學院物理研究所研究員高鴻鈞團隊的陳輝等人首次實現了對石墨烯納米結構的原子級精準的可控折疊，構筑出一種新型的準三維石墨烯納米結構。該結構由二維旋轉堆垛雙層石墨烯納米結構與一維的類碳納米管結構組成。他們通過掃描探針操控技術實現了：（1）石墨烯納米結構的原子級精準折疊與解折疊；（2）同一個石墨烯結構沿任意方向的反復折疊；（3）堆疊角度精確可調的旋轉堆垛的雙層石墨烯納米結構；（4）準一維碳納米管納米結構的構筑；（5）雙晶石墨烯納米結構的可控折疊及其異質結的構筑。他們應用掃描隧道譜與第一性原理計算確定折疊石墨烯的納米結構的精確原子構型與局域電子態結構，發現通過石墨烯“納米折紙術”得到的準一維納米管異質結具有不同的能帶排列方式。
圖2 折疊方向精確控制以及角度連續可調的旋轉堆垛雙層石墨烯的構筑。
圖3 手性結構與電子態精確可調的類一維碳納米邊界結構的構筑。
圖4 折疊雙晶石墨烯納米片精確構筑異質結結構。
該工作在國際上首次實現了原子級精準控制、按需定制的石墨烯折疊，這是目前世界上最小尺寸的石墨烯折疊。基于這種原子級精準的“折紙術”，還可以折疊其它新型二維原子晶體材料和復雜的疊層結構，進而制備出功能納米結構及其量子器件，研究其新奇物理現象。例如，探索魔角旋轉堆垛雙層二維原子晶體材料的超導電性、拓撲特性和磁性，以及研究一維異質結的輸運性質及其應用等。該研究工作對構筑量子材料和量子器件（機器）具有重要的科學與技術上的意義。
陳輝、張現利和張余洋為論文共同第一作者，杜世萱與高鴻鈞為共同通訊作者。美國馬里蘭大學教授歐陽敏、范德堡大學S. T. Pantelides參與了討論合作。該研究成果以Atomically precise, custom-design origami graphene nanostructures 為題，于9月6日發表在美國《科學》雜志上(Science 365, 1036 (2019))。
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