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资讯：Nat Mater丨东南大学李泽军教授等团队最新研究报道了实现极性范德华材料近乎100%自发卷起的新方法

两江科技评论

2025-10-24

导读：东南大学物理学院李泽军、新加坡国立大学化学系吕炯、东南大学物理学院陈乾以及万东阳教授共同通讯在Nature Materials在线发表研究论文。该研究报道了通过电化学插层/剥离工艺在极性范德华材料中实

文章来源：iNature

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将二维材料卷成一维纳米卷会引入曲率、手性和对称性破缺，从而产生新的特性。然而，依赖外部驱动力的传统方法控制性差、产量低且可重复性有限。

2025 年 10 月 13 日，东南大学物理学院李泽军、新加坡国立大学化学系吕炯、东南大学物理学院陈乾以及万东阳教授共同通讯在Nature Materials在线发表题为“Near-100% spontaneous rolling up of polar van der Waals materials”的研究论文。该研究报道了通过电化学插层/剥离工艺在极性范德华材料中实现自发卷绕，从而实现了可扩展的纳米卷生产。

这种自卷绕本质上是由平面外电极化 (P⊥) 驱动的，其中 P⊥ 的大小受插层剂尺寸的调制。该方法已在八种极性材料上验证，在确定的卷绕方向上实现了几乎 100% 的产量和可重复性，突破了外部驱动力的限制。纳米卷表现出与层无关的反演对称性破缺和相干增强的二次谐波产生，其性能比二维薄片高出约 100 倍，可与领先的二维非线性材料相媲美。电化学引发进一步促进了金属离子的共嵌入，从而产生了十种混合纳米卷结构。这些发现为构建一维纳米结构和混合异质结构建立了一条可扩展的途径，为设计量子固体和量子纳米器件中的范德华超晶格铺平了道路。

通过扭曲和重新堆叠来操纵二维 (2D) 材料，可以精确设计人造莫尔材料，使其能够承载集体量子态和关联现象，从而预示着“扭曲电子学”研究时代的到来。控制一维 (1D) 卷轴几何结构的能力提供了额外的可调性，例如曲率、手性、拓扑对称性和层间修改。这使得人们能够在范德华 (vdW) 纳米卷中设计出多种量子特性和功能，包括半导体到金属的转变、非互易超导和体光伏效应，这些特性在母平面 2D 对应物或其扭曲结构中并不存在。此外，1D 纳米卷内的内部空腔和同轴 vdW 间隙为研究化学反应、激子极化子和离子输运提供了独特的密闭空间。因此，将二维材料卷成一维纳米卷代表了二维材料工程领域的一个前沿，它可能开辟一个“卷电子学”领域，超越平面和扭曲二维材料的范围。

大多数具有非平面镜像对称性的二维材料在零曲率时具有最小能量，从而阻止了这些材料的自发弯曲和卷动。因此，现有的二维材料卷动方法通常涉及在整个卷动过程中引入外部驱动力 (EDF)，以抵消弯曲应变引起的能量增加。例如，引入外来物体（包括碳纳米管和石胆酸管模板或纳米颗粒）产生的静电或磁相互作用等外力已被用于驱动一维纳米卷的形成。另外，最近有研究表明，通过毛细力诱导二维材料在基底上滚动，可以形成一维纳米卷，这是由通过化学气相沉积在基底上生长的二维材料释放其固有拉伸应变引发的。然而，这些方法存在一些局限性，例如需要事后消除模板和纳米颗粒，或者由于对二维材料与异物之间微妙相互作用的严格要求，导致产量低且重现性差。此外，这些电子扩散函数 (EDF) 通常各向同性，难以精确操控，导致一维纳米卷的曲率、手性和形貌不均匀。

在本文中，作者团队发现了极性二维材料中一种非传统的、大规模的自卷行为，而无需恒定的电子扩散函数 (EDF)。相反，直接从电化学分子插层过程中剥离的二维极性层可以自发弯曲和卷成一系列高质量的一维纳米卷，其产率几乎为 100% ，具有明确的手性以及均匀的卷绕形貌，这是传统 EDF 策略无法实现的。实验和理论研究表明，极性 vdW 材料中固有的平面外电极化 (P⊥) 可以作为以前未知的内部驱动力 (IDF)，归因于二维极性层的自发卷起。此外，P⊥ 的大小与极性层的弯曲曲率 (ϰ) 成比例，而弯曲曲率可以通过不同大小的插入分子来控制。因此，极性 vdW 材料的自卷曲是通过选择插入分子的大小来决定的，而这又是由 P⊥ 和抗弯刚度 (D) 之间的相互作用驱动的。

通过选择合适的插层分子来调控这种相互作用，可以在剥离的极性范德华材料中分别可控地制备二维薄片和一维纳米卷（图 1a）。这些制备的具有层独立破缺反演对称性的一维纳米卷结构激活了二次谐波产生 (SHG)，其 SHG 强度可扩展至比二维薄片高约 10^2，可与最著名的二维非线性光学材料（例如单层 WS^2 和 NbOI^2）相媲美。此外，这种由电化学插层诱导的自卷曲使得金属离子能够共插层，并产生了十种不同类型的混合纳米卷。本研究引发了对天然或人工极性二维材料的进一步探索，以设计具有独特物理和功能的一维卷轴结构。

图 1：插层介导的几何工程，用于可控合成极性 vdW 材料的 1D 纳米卷和 2D 薄片（图源自Nature Materials）

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02357-w！

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