宾州州立大学、美国能源部（DOE）的橡树岭国家实验室和洛克希德马丁航天系统公司探明了一种在二维材料（如石墨烯）中控制缺陷的新方法。这种方法能够有利于海水淡化膜、能量储存及传感技术的发展，同时也有利于先进保护涂层的研究。

对于二维材料，比如单原子层的石墨烯，小裂缝或空穴这样的缺陷会对性能产生巨大的影响。通常，这些缺陷不是人们所想要的。然而，通过一些形式的控制手段，这些缺陷可以用来设计新奇且令人满意的性能。

宾州州立大学机械工程和化学工程的教授Adri van Duin，作为通讯作者，在ACS Nano期刊上详细介绍了这项研究。他表示：“只要你能控制缺陷，你就可以合成任何相应形式的石墨烯材料。但是，这要求你能很好地控制缺陷结构和缺陷行为。我们所做的研究，向这个目标迈出了一大步。”

Adri van Duin是文章的共同作者，同时也是数学模型和Reactive Force Field Method（ReaxFF）模拟技术的主要开发者。这个模型能够预测成千上万的原子在外力场下的相互作用，比如用惰性气体原子轰击石墨烯。

惰性气体，如氦、氖、氩、氪和氙等，常用于制造缺陷来改变石墨烯性能。将一个或多个碳原子轰击出石墨烯铁丝网状结构，产生的空穴在掺杂过程中被其他原子或分子所填充。掺杂可以改变石墨烯的化学或电学性能，比如海水淡化膜允许水分子通过而过滤掉盐颗粒。

van Duin也是材料计算中心（宾州州立大学材料研究所用户设备的一个部门）的主任，他介绍道：“对于惰性气体离子加速进入石墨烯的过程，我们已经做了一系列的原子尺度模拟。模拟出的很多缺陷图案和实验结果相同，这意味着我们的模拟能告知实验者，原子类型和加速度对缺陷类型的影响。”

因为缺陷可以演变成不同的形状，或者在产生后的几秒钟之内就改变位置，所以van Duin的研究小组也模拟了将石墨烯置于烘箱中高温加热退火以得到稳定结构的情况。

van Duin表示，在计算成千上万原子的相互作用时，由于稳定材料需要的时间尺度所产生的计算代价，将实验的尺寸、时间和接触范围用于原子尺度的模拟是很罕见的。由van Duin 和 Caltech's William Goddard研发的ReaxFF技术能够模拟原子键形成和断裂过程中，分子和材料中化学和物理的相互作用。

文章的主要作者、van Duin课题组的一名研究生Kichuel Yoon说道：“这项研究为石墨烯放射的原子尺度的详细信息，提供了一种独到见解，并且是二维功能碳材料设计的初步探索。”

van Duin补充道：“很显然，这项研究无论如何不能绕过石墨烯，任何二维材料都可以做同样的模拟。只要有人想研究二维材料的掺杂，或者想了解缺陷，那么就一定会对这些的模拟感兴趣。”

研究人员打算继续和洛克希德马丁公司合作，深入研究二维材料在航空航天中的应用，并且计划研究以石墨烯为基础的海水淡化技术。洛克希德马丁公司的Jacob Swett为实验准备了样品，这对项目的推进至关重要。

为了将模拟过程和实验联系起来，研究人员借助橡树岭国家实验室的纳米材料科学中心（CNMS），用离子轰击材料产生缺陷，并通过原子分辨率成像手段表征这些缺陷。

一位橡树岭国家实验室（ORNL）的研发人员Raymond Unocic说：“在纳米材料科学中心（CNMS），我们有国家最先进的氦和氖离子束以及像差校正扫描透射电子显微镜，可以用来进行原子尺度的表征。”


来源：材料人网