南京大学物理学院高力波、袁国文团队与合作者发现石墨烯的“波纹”竟能室温下抓住“高冷”的惰性气体

近日，南京大学物理学院高力波、袁国文团队联合李绍春教授，东南大学巨明刚教授，中国科学院大学周武教授等合作者，在室温常压条件下实现了惰性气体在石墨烯表面的稳定吸附。

你有没有想过，像氙气、氩气这样“高冷”的稀有气体，竟然能在常温常压下稳稳地“粘”在材料表面，甚至排列成整齐的晶体结构？这听起来像是天方夜谭，却在我国科学家手中成为现实。

稀有气体因其最外层电子结构稳定，化学性质极不活泼，被称为惰性气体。要想让它们在常温、常压下稳定地吸附在固体材料表面，难上加难。过去，科学家们只能在接近绝对零度（-273 °C）的极低温条件，才能短暂地“抓住”它们，一旦温度回升，这些气体原子便会迅速逃逸。

南京大学高力波、袁国文团队与合作者揭示了一种由层状材料自身“波纹”主导的全新吸附机制——“波纹辅助吸附”，在室温常压下实现了惰性气体在石墨烯表面的稳定吸附，突破了传统物理吸附与化学吸附的二元认知，为气体储存、分离与催化等领域开启了新的可能性。

或许你想象中的石墨烯是一张完美平坦的“原子平面”，但现实中，自由状态的石墨烯更像一张微微起伏的薄纱，其表面存在着天然的原子级波纹（ripple），这些波纹可视为一种结构上的“第四维度”。研究团队发现，正是这些曾被忽视的纳米波纹，成为了“捕捉”惰性气体的关键。理论计算表明，当石墨烯的波纹起伏增大时，其局部曲率会显著增强。这种几何形变，增强了惰性气体原子与碳原子之间的相互作用，从而将气体原子稳稳“吸住”。研究团队将这种全新吸附机制命名为——“波纹辅助吸附”。

吸附在石墨烯的惰性气体分子晶体

团队利用扫描隧道显微镜对吸附氙原子的石墨烯进行表征，首次直接观察到氙原子在石墨烯表面排列成密堆积晶体结构，相邻原子间距约6.8 Å，且与石墨烯的晶格方向保持一致。氩原子和氦原子则形成周期性排列的二聚体结构。这种吸附过程是高度可逆的。当温度升至约300 °C时，气体完全脱附，而石墨烯晶格结构完好如初，展现出优异的循环稳定性。

二维材料吸附惰性气体后的物理性质变化

研究进一步发现，“波纹辅助吸附”机制不仅适用于石墨烯，也成功拓展至二硫化钼、二硒化铌和单壁碳纳米管等多种层状材料。吸附气体后，这些材料的电学传输、超导特性、光致发光等物理性质发生显著变化，且在气体脱附后完全恢复，展现出优异的可控性与可逆性。

相关研究成果以“Ripple-assisted adsorption of noble gases on graphene at room temperature”为题，发表在《国家自然评论》（National Science Review, 13, nwaf506, 2026）期刊上。南京大学博士生刘伟林、黄贤雷、窦立国，东南大学博士生方强龙，中国科学院大学博士生李昂为论文的共同第一作者。南京大学袁国文副教授、中国科学院大学周武教授、东南大学巨明刚教授、南京大学李绍春教授、南京大学高力波教授为论文共同通讯作者。中国科学院金属研究所成会明院士、刘畅研究员、侯鹏翔研究员，东南大学王金兰教授等给与了大力帮助。该工作依托南京大学物理学院、固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新等平台，获得国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、国家重点研发计划、小米基金等多个项目支持。

论文链接

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf506

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