石墨烯纳米带扭转方向按需切换首次实现

一条石墨烯纳米带，能不能像拧毛巾一样改变扭转方向？日本名古屋大学研究人员给出了肯定答案。据最新一期《自然·通讯》杂志报道，该校研究人员首次实现了石墨烯纳米带扭转方向的按需切换。这一成果有望为开发可调光学开关、化学传感器和自旋电子器件提供新材料。

石墨烯纳米带是一种由碳原子组成的狭长带状纳米结构。当纳米带发生扭转时，会形成类似螺旋的形态，而且向左扭和向右扭时，其光学和电子性质也有所不同。此前，研究人员虽然能制造螺旋状石墨烯纳米带，但很难让它按照需要改变扭转方向。

此次研究的关键，是一种过去被认为“不好控制”的四环螺烯单元。这些单元会在左旋和右旋两种状态之间快速变化，很难保持固定的扭转方向。但当多个单元连接在一起后，相邻单元会相互影响，倾向于朝相同方向扭转，最终形成较为统一的螺旋结构。

在此基础上，他们进一步利用溶剂控制纳米带的扭转方向。测试了6种候选溶剂后发现，来源于松树和柑橘类植物的天然化合物β-蒎烯能够发挥作用。

β-蒎烯分为两种互为镜像的分子形式，不同分子形式会让纳米带向不同方向扭转。也就是说，更换溶剂就能控制纳米带向左扭，还是向右扭。

纳米带扭转方向发生变化后，其发出的光也会随之改变，两种扭转状态会产生不同方向的圆偏振发光。这意味着，控制纳米带的扭转方向，就可以调节其光学性质。这种切换效果在-90℃时最明显，随着温度升高到室温，效果逐渐减弱。

研究人员表示，这是首次在石墨烯纳米带中实现这种可切换的圆偏振发光。这种能够根据外部环境改变扭转方向和光学性质的材料，未来有望用于光学开关、化学传感器和电子器件等领域。由于螺旋结构还可能影响不同自旋状态电子的传输，因此也有望用于自旋电子器件。（记者 张佳欣）