2026年8月12日——莱斯大学研究人员证明，石墨烯中的微小褶皱可以改变材料的电学性质，为挠曲电性提供了证据。挠曲电性是指材料在不均匀弯曲时产生电荷的现象。该研究成果发表在《Advanced Materials》上。

这一发现表明，科学家或许能够通过改变原子级薄材料的形状而非添加新化学物质或材料来控制其中的电流。这种方法未来有望用于制造更灵敏的传感器和超薄电子器件。

“我们的工作表明，即使是一个普通的褶皱，在原子尺度上也能成为非凡的电子特性，”莱斯大学Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson工程学教授、该研究共同通讯作者Pulickel Ajayan表示。“通过证明仅凭几何形状就能重塑石墨烯的电学行为，我们开辟了一条新路径，使材料特性可以通过结构而非化学手段来调控。”

细察微小褶皱

石墨烯是仅一个原子厚的碳片层。在这项工作中，研究团队检查了自然形成的褶皱，其弯曲被压缩到小于十亿分之一米的空间内，这种极端曲率会使电子向材料一侧偏移。

“想象一下弯曲一把柔性尺子，只不过这个弯曲被挤压进小于十亿分之一米的空间，”该研究第一作者、莱斯大学前博士生Sathvik Ajay Iyengar说。“在这个尺度上，石墨烯中的电子会略微向一侧偏移，形成两个相对的电极性侧面，就像微型电池的两端。”

研究团队使用专用显微镜探针测量了褶皱的形状、局部电学能量和电流。他们还使用了拉曼光谱——一种基于激光的技术，可以揭示原子如何被拉伸或压缩——并结合计算机模拟来预测弯曲如何改变电子运动。通过将急剧弯曲的褶皱与附近平坦的石墨烯进行比较，研究团队得以分离出曲率的影响。

“早期研究通常考察较平缓的弯曲或依赖外部压力，使得这种微妙效应难以分离，”Iyengar说。“将急剧弯曲的褶皱与平坦石墨烯进行比较，使我们能够清楚地识别极端曲率的作用。”

形状改变电学行为

研究人员发现，这些褶皱的作用就像一排排微小的电子减速带。它们急剧弯曲的尖端改变了局部电学能量，并且在施加约一伏电压时持续产生电流，与计算机模型的预测高度吻合。

电学响应取决于褶皱的尖锐程度而非高度。研究人员估计，由此产生的电荷分离（即极化）比更大尺度的挠曲电系统强10万到1000万倍。极化是指材料内部正负电荷的分离。

“褶皱的尖锐程度远比其整体尺寸重要，”Iyengar说。“这告诉我们，通过精心控制纳米尺度的曲率，我们有可能调节电学行为。”

从预测到实证

这一发现可追溯至2008年，当时理论物理学家Vincent Meunier预测，急剧弯曲石墨烯可以重新排列其电子并产生电学响应。Meunier现为宾夕法尼亚州立大学P. B. Breneman讲席教授兼工程科学与力学系主任，也是该研究的共同通讯作者。当时，测量仅几个原子宽的弯曲处的效应极其困难。

多年后，Iyengar重新审阅了他与Manoj Tripathi共同收集的数据——Tripathi是萨塞克斯大学的共同通讯作者，现就职于南达科他矿业学院——并在最尖锐的石墨烯褶皱处发现了异常的电学信号。他将这些发现带给曾共同指导其博士研究的Meunier。

“当Sathvik向我展示他和Manoj收集的测量数据时，我们意识到这些异常信号可能为多年前我们预测的一个想法提供实验上的联系，”Meunier说。“将实验与原子尺度计算结合起来，使我们能够直接检验这一联系。”

为电子学开辟新可能

研究人员表示，这些发现有助于科学家探索是否可以通过控制石墨烯褶皱的曲率来调节材料的电学行为。这种方法最终可能支持更灵敏传感器和超薄电子器件的开发。

“大自然已经为我们创造了这些微小褶皱，”Iyengar说。“理解它们如何影响电学行为，为科学家利用材料自身的结构设计未来技术提供了又一件工具。”