研究背景
手性是一個基礎的物理性質，在化學、物理學及材料科學等多個領域中具有重要應用。近年來，手性材料因其在光學、電子學及自旋電子學等領域的潛力而備受關注。特別是在二維材料中，手性的引入能夠帶來增強的光學活性、可調的電子特性以及選擇性化學反應性。然而，傳統二維材料通常為非手性材料，如何有效地將手性引入這些材料成為了研究的難題。相比傳統材料，具有可調手性的二維材料能夠展示出更豐富的物理現象，例如拓撲效應和非常規量子行為，具有巨大的應用潛力。然而，由于手性引入的難度大，導致在實驗中面臨諸多挑戰。
鑒于此，天津大學胡文平教授團隊、雷圣賓教授課題組以及沈永濤、李奇峰等人在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Graphene rolls with tunable chirality”的最新論文。該團隊提出了一種蠟輔助浸漬方法，成功地制造出了具有可調手性角度的石墨烯卷，并且該方法可以推廣至其他二維材料的高效、高產率制備。通過精確控制手性角度，團隊建立了卷曲角度、拉曼光學活性和手性引發的自旋選擇性效應之間的定量關系。研究表明，石墨烯卷展現了明顯的自旋極化效應，在室溫下的自旋極化度超過90%。這一發現為手性石墨烯卷的實際應用，尤其是在自旋電子學和光學領域，開辟了新的方向。
利用該方法，團隊不僅成功實現了石墨烯卷的制備，還揭示了手性卷曲對電子運輸特性的影響。石墨烯卷中的電子流動在卷曲的一側展現出偏好的自旋極化，從而實現了手性引發的自旋選擇性效應。這一效果的出現，突破了傳統碳材料和有機手性材料在自旋操控方面的局限，為二維材料的自旋電子學研究提供了新的思路和實驗基礎。這一研究成果為二維材料的手性調控提供了新的方法，并推動了量子行為和室溫自旋電子技術的發展，具有廣泛的應用前景。
研究亮點
1.實驗首次開發了蠟輔助浸漬方法，成功獲得了具有可調手性角度的石墨烯卷。通過該方法，研究者實現了石墨烯卷的可控手性，解決了以往在二維材料中精確控制手性的問題，并可以在其他常規二維材料中推廣應用。
2.實驗通過該方法對石墨烯卷進行了系統表征，發現其展現出優異的自旋選擇性效應。左手性和右手性卷分別表現出超過90%的自旋極化度，并展示了光學活性。這些手性卷具有獨特的自旋選擇性效應，尤其在室溫下依然能夠穩定表現。
3.實驗結合拉曼光學活性（ROA）和曲率模式等參數，揭示了手性卷的光學和電子特性之間的關系。研究表明，石墨烯卷的曲率模式與其拉曼光學活性和手性引發的自旋選擇性效應（CISS）密切相關。通過可調的手性角度，能夠定量研究這些效應的變化。
4.實驗通過mCP-AFM測量和電子能帶結構分析，表明手性卷具有半導體特性并對自旋電子學具有潛力。通過原位的mCP-AFM測量，研究人員揭示了石墨烯卷在電子傳輸上的獨特性質，進一步表明其在自旋電子學和量子技術中具有應用前景。
圖文解讀
圖1：手性石墨烯卷的形成示意圖和統計分析。
圖2：石墨烯卷的結構表征。
圖3：手性石墨烯卷的拉曼光譜和拉曼光學活性（ROA）譜。
圖4：原位mCP-AFM測量和半導體卷的電子能帶結構。
結論展望
總之，本文提出的蠟輔助浸漬方法是一種通用的方法，可高產率地制備二維材料的手性卷。通過該方法，作者實現了將二維非手性石墨烯轉變為一維手性石墨烯卷，并探索了其迷人的自旋電子學特性。作者預計，進一步研究手性角度的調控及其與卷曲CISS效應的關系，將為調整石墨烯及其他二維材料的電子結構提供更多自由度。手性卷材料中獨特的單向流動特性賦予了強大的自旋選擇性，促進了高效的電子自旋調控，使石墨烯卷具備了多功能的自旋電子學功能。此外，這些材料中自旋和軌道自由度的相互作用為量子現象和拓撲態開辟了新的方向，提供了實現異質量子器件和容錯量子計算平臺的潛力。通過研究手性二維材料，研究人員可以釋放它們在開發具有增強功能和前所未有現象的下一代器件方面的全部潛力，例如手性等離子體和非線性霍爾效應。進一步研究手性二維材料有望革新多個領域，并推動材料科學的創新。
原文詳情：
Zhang, E., Ding, S., Li, X. et al. Graphene rolls with tunable chirality. Nat. Mater. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02127-8
