热涨落（最终）展开纳米尺度折纸

利用折纸原理与二维材料设计各种纳米尺度装置的兴趣重新兴起。在这项工作中，我们认识到小尺度装置易受熵热涨落的影响，因此纳米尺度折纸的一个基本问题涉及其稳定性。为了正确理解这些基于折纸的纳米器件的性能，我们必须同时考虑折纸的几何力学以及热涨落、熵排斥力、范德华吸引力和其他分子尺度现象之间的相互作用。在这项工作中，为了阐明纳米尺度折纸装置演化的丰富行为，我们开发了一个折叠纳米片的最小统计力学模型。我们使用该模型研究（1）纳米尺度折纸结构的热力学多稳定性，以及（2）热涨落驱动其展开的速率——即其时间稳定性。我们首次识别出一个熵扭矩，它是展开过程的关键驱动力。热力学多稳定性和时间稳定性都非平凡地依赖于折纸的弯曲刚度、折痕的曲率半径、环境温度、厚度以及（折叠层之间的）界面能。具体地，对于石墨烯，我们表明存在一个临界边长，低于该边长则无法稳定折叠；类似地，存在一个临界折痕直径、膜厚度（例如多层石墨烯）和温度，高于这些值则折痕无法稳定折叠。为了研究热驱动展开的速率，我们将Kramers逃逸速率理论扩展到能量阱最小值出现在边界的情况。