賓州州立大學、美國能源部（DOE）的橡樹嶺國家實驗室和洛克希德馬丁航天系統公司探明了一種在二維材料（如石墨烯）中控制缺陷的新方法。這種方法能夠有利于海水淡化膜、能量儲存及傳感技術的發展，同時也有利于先進保護涂層的研究。

    對于二維材料，比如單原子層的石墨烯，小裂縫或空穴這樣的缺陷會對性能產生巨大的影響。通常，這些缺陷不是人們所想要的。然而，通過一些形式的控制手段，這些缺陷可以用來設計新奇且令人滿意的性能。

    賓州州立大學機械工程和化學工程的教授Adri van Duin，作為通訊作者，在ACS Nano期刊上詳細介紹了這項研究。他表示：“只要你能控制缺陷，你就可以合成任何相應形式的石墨烯材料。但是，這要求你能很好地控制缺陷結構和缺陷行為。我們所做的研究，向這個目標邁出了一大步。”

    Adri van Duin是文章的共同作者，同時也是數學模型和Reactive Force Field Method（ReaxFF）模擬技術的主要開發者。這個模型能夠預測成千上萬的原子在外力場下的相互作用，比如用惰性氣體原子轟擊石墨烯。

    惰性氣體，如氦、氖、氬、氪和氙等，常用于制造缺陷來改變石墨烯性能。將一個或多個碳原子轟擊出石墨烯鐵絲網狀結構，產生的空穴在摻雜過程中被其他原子或分子所填充。摻雜可以改變石墨烯的化學或電學性能，比如海水淡化膜允許水分子通過而過濾掉鹽顆粒。

    van Duin也是材料計算中心（賓州州立大學材料研究所用戶設備的一個部門）的主任，他介紹道：“對于惰性氣體離子加速進入石墨烯的過程，我們已經做了一系列的原子尺度模擬。模擬出的很多缺陷圖案和實驗結果相同，這意味著我們的模擬能告知實驗者，原子類型和加速度對缺陷類型的影響。”

    因為缺陷可以演變成不同的形狀，或者在產生后的幾秒鐘之內就改變位置，所以van Duin的研究小組也模擬了將石墨烯置于烘箱中高溫加熱退火以得到穩定結構的情況。

    van Duin表示，在計算成千上萬原子的相互作用時，由于穩定材料需要的時間尺度所產生的計算代價，將實驗的尺寸、時間和接觸范圍用于原子尺度的模擬是很罕見的。由van Duin 和 Caltech's William Goddard研發的ReaxFF技術能夠模擬原子鍵形成和斷裂過程中，分子和材料中化學和物理的相互作用。

    文章的主要作者、van Duin課題組的一名研究生Kichuel Yoon說道：“這項研究為石墨烯放射的原子尺度的詳細信息，提供了一種獨到見解，并且是二維功能碳材料設計的初步探索。”

    van Duin補充道：“很顯然，這項研究無論如何不能繞過石墨烯，任何二維材料都可以做同樣的模擬。只要有人想研究二維材料的摻雜，或者想了解缺陷，那么就一定會對這些的模擬感興趣。”

    研究人員打算繼續和洛克希德馬丁公司合作，深入研究二維材料在航空航天中的應用，并且計劃研究以石墨烯為基礎的海水淡化技術。洛克希德馬丁公司的Jacob Swett為實驗準備了樣品，這對項目的推進至關重要。

    為了將模擬過程和實驗聯系起來，研究人員借助橡樹嶺國家實驗室的納米材料科學中心（CNMS），用離子轟擊材料產生缺陷，并通過原子分辨率成像手段表征這些缺陷。

    一位橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的研發人員Raymond Unocic說：“在納米材料科學中心（CNMS），我們有國家最先進的氦和氖離子束以及像差校正掃描透射電子顯微鏡，可以用來進行原子尺度的表征。”