最近，金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室固體原子像研究部楊志卿副研究員、先進炭材料研究部尹利長副研究員等與美國橡樹嶺國家實驗室研究人員合作，首先利用像差校正Z襯度電子顯微學成像觀察到了石墨烯拓撲缺陷結構的動態演變、以及單個Si原子與拓撲缺陷的動態交互并最終摻雜到石墨烯的微觀過程，然后采用第一性原理計算揭示了這一原子結構演化的微觀機理。直接觀察并理解單個原子及其與周圍介質材料動態交互行為有助于人們認識物質結構的微觀演變并預測新結構的形成，對于納米科學技術的發展具有重要意義。

　　研究人員發現石墨烯原子平面上的555-777拓撲缺陷具有較高的活性，可以將近鄰的游離Si原子吸引過來。Z襯度成像觀察到在已有兩個Si置換原子的555-777拓撲缺陷處，與Si-Si相鄰的一對C-C原子仍然很活躍，不斷發生90 C-C鍵旋轉。當第三個游離的Si原子被吸引到該拓撲缺陷時，它與活躍的C-C原子對展開了激烈的占位競爭，并最終取代C-C原子對，形成由三個Si原子組成的三聚體團簇。在電子束作用下，Si三聚體團簇開始旋轉。理論計算其轉動能壘約為2.0 eV，轉動頻率可達1012Hz。實驗觀察還表明，旋轉的Si原子團簇及支撐它的石墨烯非常穩定，電子束難以再擊飛缺陷位處的任何一個Si原子和C原子。這一結果不同于以前報道的石墨烯納米孔易失穩，繼而發生擴大或愈合，說明Si修飾可能是穩定石墨烯納米孔的有效途徑之一。理論計算表明Si修飾穩定石墨烯納米孔的機理是：Si原子與石墨烯納米孔的邊緣懸鍵C的鍵合傾向于采用sp3雜化的四面體配位鍵合方式，有效排斥游離C原子進入石墨烯平面，從而可以很好地穩定石墨烯納米孔結構。穩定的石墨烯納米孔在高分辨率DNA測序、化學分離等方面具有潛在的應用價值。

　　該研究得到了國家自然科學基金委和國家973項目的資助。

　　相關論文已發表在Angew. Chem. Int. Ed.（2014, 53, 8908）和PNAS（2014, 111, 7522）上。

圖1 （a）C-C鍵90 旋轉；（b）Si原子競爭占位；（c）Si原子團簇60 旋轉

　　圖2 第一性原理計算模擬：（a-d）Si原子團簇旋轉過程；（e）能量、過渡態構型的俯視和側視圖（左上角插圖）、Pz電子分布（右上角插圖）