中科大揭示金属纳米粒子切割石墨烯的奥秘 找到切割石墨烯的“吃豆人”

据中科院网站30日报道，近日，中国科学技术大学教授李震宇等在金属纳米粒子切割石墨烯的机理研究中取得新进展，首次揭示了金属纳米粒子在石墨烯切割中扮演“吃豆人(Pac-Man)”的角色。该研究成果发表在5月24日的Angew. Chem. Int. Ed.上。论文第一作者为博士生邱宗仰。

在二维材料的很多应用中，需要先将它们切割成特定的形状。虽然石墨烯可以在强氧化或者高能等离子体环境中进行切割，但是为了保证石墨烯样品的质量，人们希望切割能在更加温和的条件下进行。其中一种可能的途径是使用金属纳米粒子作为催化剂，在氢气中进行切割。为了使切割过程更加可控，需要对其中的微观机理有深入的了解。之前在对强氧化环境下石墨烯切割的研究中被广泛接受的“拉链”机理，依赖于单个氧原子作为尖兵来切断石墨烯中的碳-碳键。显然这种基于单原子的“拉链”机理无法解释纳米粒子切割实验中观测到的诸多依赖于纳米粒子尺寸的效应。因此，金属纳米粒子催化的石墨烯切割应当存在新的机理。为此，李震宇及其合作者采用多尺度模拟的方法，先在高温下使用反应力场进行分子动力学模拟得到定性的物理图像，再在实验温度下进行统计采样(metadynamics)确定反应路径，然后通过高精度第一性原理计算进行验证，最后从动力学蒙特卡罗模拟中得到切割动力学。

研究表明，金属纳米粒子与石墨烯接触时，石墨烯边缘的碳-碳键被附近的金属原子弱化直至切断，形成的悬挂碳原子处于多个金属原子包围中，在悬挂键断裂后被吞入金属纳米粒子内部。这一过程类似吃豆人游戏中的吃豆过程，因此相关的机理被称为“吃豆人”机理。被蚀刻的碳原子最后扩散到金属纳米粒子表面，在那里与氢反应形成碳氢化合物分子后进入气相。在“吃豆人”机理中，致密的锯齿型石墨烯边缘的碳-碳键最难被打断。但是，一旦一条完整的锯齿型边缘碳链中有一个碳-碳键被打开，其所在位置便形成一个开放的局域环境，进而使得周边的碳原子很容易被蚀刻掉。这样，像多米诺骨牌一样，第一个碳-碳键的断裂将触发整条锯齿型边缘碳链的蚀刻，从而使得石墨烯和金属纳米粒子接触的界面向前推进。

如果考虑单位时间内被蚀刻掉的碳原子的总数目，需要考虑两个因素：一个是蚀刻沟道的宽度，正比于金属纳米粒子半径；另外一个因素是沟道的长度，由纳米粒子移动的快慢决定。根据触发机制，蚀刻过程的大部分时间都花费在等待锯齿型边缘第一个碳-碳键被打开上。金属纳米粒子越大，石墨烯-金属界面就越长，可以被触发的碳-碳键数目越多，从而等待时间也就越短，纳米粒子移动速度越快。最后，总的切割速率正比于纳米粒子半径的平方。这一结果解释了实验上切割速率正比于纳米粒子表面积的观测结果，同时指出切割过程中最关键的步骤并非发生在纳米粒子表面而是在金属-石墨烯的界面。

李震宇研究组近年来一直关注石墨烯切割机理，除了金属纳米粒子切割以外，对之前强氧化环境下基于“拉链”机理的石墨烯切割也进行了深入的研究，相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.、J. Chem. Phys.等杂志上。对这些切割机理的理解为二维材料处理加工过程中的精确调控提供了理论指导。

上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和教育部等的资助。

金属纳米粒子催化的石墨烯切割的“吃豆人”机理示意图