香港城大自創納米力學平台 實驗測得石墨烯的拉伸能力及工程強度
被喻為黑色黃金的石墨烯（graphene）是目前世界上最薄的材料，只有一層碳原子，不但肉眼看不見，就連在實驗室內觀測實物也並不容易。最近香港城市大學（香港城大）與清華大學的研究人員藉助新開發的技術及測試平台，首次測試出單層石墨烯的拉伸強度以及彈性極限。相關結果有助科研界及石墨烯應用行業建立石墨烯的實際力學性能標準，從而有助推動這種高性能材料在柔性電子器件和工程中的應用。
團隊研究結果早前於國際期刊《自然-通訊》上發表，題為〈Elastic straining of free-standing monolayer graphene〉，及後更獲《科學》雜誌的〈Editors’ Choice〉專欄介紹。
石墨烯因為具備多種獨特的物理性質，被視為他日將可取代許多在現代科技應用的未來物料，而被喻為「黑色黃金」。負責帶領這次研究、專門研究納米力學的香港城大機械工程學系副教授陸洋博士說：「石墨烯理論上集合六大卓越特性：超薄、具彈性、高強度、透明、導電以及傳熱，可以說是未來的理想材料。這次我們的研究集中石墨烯的彈性和強度這兩方面的實際表現。」
石墨烯的「強」到底有「多強」?
在陸博士團隊進行此研究之前，來自美國哥倫比亞大學的James Hone教授與團隊，首次利用納米壓痕技術於原子力顯微鏡下，測得石墨烯的極限強度達到130 GPa，從而確定石墨烯是地表最強的材料。陸博士指出，該研究提供的數值是測試石墨烯某一點所能承受的局部最大壓力，「但是實際工程應用還需考慮現實中見於大面積單層石墨烯的邊界和邊緣瑕疵等，所以真實力學性能數值應與理論極限強度有差距」。他認為，較直接的工程強度測試做法，應該是拉伸一塊無支撐的大面積單層石墨烯，才更接近其真實承載應用的環境，例如是用於柔性電子器件或納米複合材料。
陸博士與團隊於是對石墨烯設計並展開了原位定量力學的實驗。由於單層石墨烯僅為薄薄一層碳原子，陸博士坦言面對不少挑戰：「我們首先要將無支撐、大面積的石墨烯樣本完整地轉移到我們特製的納米力學測試器件上。之後我們開發出樣本形貌控制的技術，成功利用聚焦離子束，精準地剪裁出用作拉伸測試的高品質樣本，最後將樣本放在高分辨掃描電子顯微鏡下，作可量化拉伸測試，實時地觀察變形的狀況。整個克服技術挑戰的過程花上我們團隊三年多時間。」他續說︰「過程中，把生長於銅表面的單層石墨烯成功剝離，再精準地轉移到測試平台上最花時間。」
陸博士表示，轉移的過程幸好得到化學系助理教授李淑惠博士的幫助，「令我們確立了一種樣本轉移的新範式」。加上陸博士與實驗室團隊於測試不同納米物料力學性能上的豐富經驗，他們最終克服重重實驗設計的困難，完成這次史無前例的實驗，「這也是香港城大不同學系的專家共同努力的成果」。
石墨烯力學性能不再「紙上談兵」
運用上述技術和平台，團隊在掃描電子顯微鏡的觀測下，對單層石墨烯進行定量拉伸測試，測出石墨烯的實際力學性能。結果表明，通過化學氣相沉積（Chemical vapor deposition, CVD）製備的高質量單層石墨烯，在循環應力應變測試中，可實現高達大約5%的完全可回復的彈性變形，其斷裂應變達到約6%。同時，其對應彈性模量（Young's modulus ）為920 GPa，非常接近於理論值的約1000 GPa。而整幅樣本的拉伸強度（tensile strength）則達到50至60 GPa，約為理論極限值130 GPa的一半，證明大面積單層石墨烯在實際中也確實是極強的物料。
石墨烯彈性拉伸的影像。（DOI : 10.1038/s41467-019-14130-0）
陸博士表示，這些結果反映高質量CVD石墨烯不單可達「超強」（ultra-strength，即實際拉伸強度達理論值的十分一）水平，甚至能接近「深層超強度」（deep ultra-strength，即實際拉伸強度達理論值的一半）。他說：「一種物料如果能整體達到深層超強度的狀態，就可能會有意料之外的新物理特性。」
下一步可透過彈性應變工程裝置調控石墨烯
陸博士指出，設計應用時不能只考慮材料的理想數值，因此透過實驗了解材料的實際力學性能十分重要。這次實驗結果有望幫助奠定石墨烯的真實力學性能標準，團隊希望可藉此推動這種高性能材料更適切地實際應用在不同領域，例如用於柔性觸摸屏幕、可穿戴電子器件、太陽能電池、感應器、生物醫學工程，甚至製成輕質高強度納米複合材料，應用於航空及防衛科技等。
「我們現時更知道了石墨烯實際上可承受極大晶格變形，就可透過彈性應變工程（elastic strain engineering）的概念，在精確調控拉伸應變的情況下，將石墨烯或其他二維物料在未來用於電子或光電子裝置。」陸博士說。
研究結果早前於國際期刊《自然-通訊》上發表，題為〈Elastic straining of free-standing monolayer graphene〉。陸博士和清華大學工程力學系的徐志平教授為論文的共同通訊作者。論文的共同第一作者包括香港城大機械工程學系副研究員及陸博士曾指導的博士生曹可和博士生韓英、清華大學的博士生馮詩喆。其他香港城大研究團隊成員包括李淑惠博士和機械工程學系的高立波博士（現為西安電子科技大學機電工程學院副教授）。這項研究得到香港城大、香港研究資助局和國家自然科學基金的支持。
DOI number: 10.1038/s41467-019-14130-0
石墨烯開拓二維物料世界
石墨烯是世界上首種二維物料，由兩位物理學家Andre Geim教授和Konstantin Novoselov教授成功由石墨剝離出來。二人研究其性質並因而獲頒2010年的諾貝爾物理學獎。10年後的2020年，另外三位物理學家Pablo Jarillo-Herrero教授、Allan H. MacDonald教授、Rafi Bistritzer博士因為對雙層石墨烯的理論與實驗研究，獲頒被視為諾貝爾獎前哨的沃爾夫獎（Wolf Prize）的物理學獎。Pablo Jarillo-Herrero教授與研究團隊發現，把雙層石墨烯相互扭轉1.1度角（被稱為魔角，magic angle）並置於1.7K（即攝氏零下271.45度）的低溫之下，就可以改變石墨烯的導電性，令它變成完全沒有電阻的超導材料。陸博士說：「這顯示即使是同一種材料，只需稍為改變其晶格的幾何設定，也可以發現全新的特性。我們會繼續研究單層及雙層石墨烯的彈性應變效應，並嘗試透過納米力學方式，控制晶格的幾何應變以發掘它們的新驚喜。」