材料学家找到了一种应用古老的剪纸艺术的制备方法，通过剪切和折叠来构建神奇的材料——石墨烯这种复杂的结构。该实验表明，石墨烯表面的褶皱可以大大地增加石墨烯材料的抗弯刚度。这一发现有助于人们开发出新型的传感器、可伸缩型电极或纳米机器人工具材料。

石墨烯是一种单层碳原子材料，属于自然形成的矿物分层结构。2003年，石墨烯材料首次在实验室里合成，它具有优越的电学、热热学和力学性能，使得其可以作为新的电子设备材料、油漆和塑料添加剂使用。

作为一种有前途的材料，石墨烯是由一系列的六个碳原子相互连接形成的类似于铁丝网状的结构。将石墨烯的分层结构进行剥离采用的是科学家称之为“自上而下”的方法(将大块物质变小)。具体来说，可以通过使用胶带、化工试剂或者利用搅拌器施加力等。但是，这些简单的方法并不适于生产大型石墨烯。

制备大型石墨烯，需要一种“自下而上”的方法，即将甲烷在金属（通常是铜）表面受热后，分解产生碳原子，进而组装成石墨烯结构。技术研究人员在一项新的研究中利用传统的剪纸艺术原理来控制并制备石墨烯。

如图所示为利用剪纸艺术制备的石墨烯样，其中的石墨烯图像为透射白光光学显微镜拍摄。图片来源：康奈尔大学的McEuen研究团队。

艺术与科学的结合

剪纸艺术(Kirigami，其中“Kiri”表示剪切，“gami”表示纸)是折纸艺术的一种。几个世纪以来，利用剪纸技术，人们可以创造出精美且形状复杂的结构图形。在孩提时代，也许很多人都试过利用剪纸来制作雪花。

如今，研究人员利用金垫将石墨烯材料处理成像纸张一样的褶皱形状，当然这一过程是完全可逆的。结果像纸张一样，石墨烯形成轻微的褶皱。

其中的金垫约几十微米大小，在显微操纵器的推动下，附着到石墨烯材料上。

通过使用先进的测量技术，如将红外激光应用到石墨烯薄膜的金垫上就可以感应压力的变化，测量石墨烯薄膜的水平位移，进而可以用来测试石墨烯表面的弹性。具有褶皱的石墨烯片类似于一张皱巴巴的纸，其力学性能（如刚性）与平面石墨烯相比有所改善。

事实上，这种机械原理上的相似性使得研究人员可以将剪纸原理直接应用于石墨烯材料。利用光刻技术，将石墨烯材料的表面“剪切”成一定的几何形状。研究表明，该方法可以制备出链状、铰链状和可伸缩性的石墨烯晶体管。

遥控机器人材料?

该研究实现了将二维的石墨烯片制备成具有灵活性新结构的材料，如可伸缩性晶体管，这十分有趣。因为目前来说，开发灵活性的、可穿戴型电子产品是未来的趋势。

当材料拉伸后，其电阻性能会受到影响。该项研究中，可伸缩性晶体管中的石墨烯弹簧体夹在源电极和消耗电极之间。当石墨烯材料拉伸到原来的两倍大小是时，其电学特性并没有发生变化。重复拉伸试验，其电学性能变化依然很小。

石墨烯优异的电学性质得益于其晶格结构，在拉伸状态下，其晶格结构并没有发生太大变化。甚至可以把剪纸设备升级，在不直接接触石墨烯的情况下，移动或者折叠石墨烯。例如，利用铁磁材料（如铁）代替金垫，石墨烯片可以在磁场的作用下被控制，从而制备出复杂曲折的结构。该技术可以用来制备光学、磁学和热力学设备。

在宏观、微观和纳米尺度上实现对二维材料的控制，以制备出复杂结构的材料是非常了不起的。该方法可以制备出新的超级材料，其性能常常是十分独特的，进而可以制备出新型工具，如新型传感器、可伸缩性电极或者纳米精度的机器人。

其中的可伸缩性电极在与高度匹配的柔性电子元件和传感器结合后可以作为合成皮肤或合成肌肉，用于机器人或假肢中，这种合成皮肤具有完善的功能。在未来，甚至可以将柔性电极和传感器用于可穿戴电子产品中，如可用于个人健康实时监测的衣服，最终实现个人的医疗保健功能。

文中的Karl Coleman是英国杜伦大学的化学和纳米材料教授。

新材料在线编译整理——翻译：陈琼    校正：摩天轮