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國家納米中心在二維材料范德華界面力學研究中獲進展 以石墨烯為代表的二維材料具有優(yōu)異的力、電、光、熱等物性。通過逐層堆垛組裝構(gòu)筑的范德華同質(zhì)/異質(zhì)結(jié)體系可進一步拓展其性能，如特定角度堆疊的雙層轉(zhuǎn)角石墨烯表現(xiàn)出超導、超滑等物理力學行為。由于二維材料的大比表面積特性，在構(gòu)筑范德華同質(zhì)/異質(zhì)結(jié)過程中，不可避免地夾雜空氣中水分子等雜質(zhì)并聚集形成微納米尺度鼓泡。一方面，受到污染的范德華界面預期會顯著降低微納米器件的性能；另一方面，這種微納米尺度鼓泡具有高壓、限域、大變形等特征，為二維材料應變工程、高壓化學、限域催化、電鏡下液體池等領(lǐng)域提供了新的研究契機。因此，如何克服鼓泡污染實現(xiàn)范德華界面原子級潔凈、鼓泡應變大小及分布、壓差等因素是二維材料制備、轉(zhuǎn)移、物性測量及應用中的關(guān)鍵問題。 針對同質(zhì)/異質(zhì)范德華材料界面力學行為難于測量與表征這一難題。研究團隊提出角度可控范德華同質(zhì)/異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑新策略，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)角雙層石墨烯制備（ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2020; 12(36): 40958-67）。本研究中，科研團隊借助側(cè)向力顯微鏡技術(shù)表征轉(zhuǎn)角石墨烯莫爾云紋，實現(xiàn)了對范德華界面潔凈度的可視化表征。研究借助毛細力輔助轉(zhuǎn)移技術(shù)引入水、乙醇等介質(zhì)構(gòu)筑納米級液泡。在彈性能和界面能競爭機制下納米液泡呈現(xiàn)幾何自相似性，具有特定彈性毛細參數(shù)。在探針力的激勵下石墨烯范德華界面表現(xiàn)出自清潔現(xiàn)象；得益于液泡的邊緣失穩(wěn)，相鄰液泡間發(fā)生“長程”作用誘導納米液泡發(fā)生自發(fā)融合。該研究揭示了不同于傳統(tǒng)奧斯特瓦爾德熟化機制下二維材料彈性能對融合過程的影響和貢獻。研究人員通過理論分析結(jié)合微孔鼓泡實驗技術(shù)，進一步探討了預張力對彈性毛細參數(shù)和液泡間“長程”相互作用影響及調(diào)控，相關(guān)機制得到分子動力學模擬支持和驗證。 張忠課題組致力于低維微納米材料及結(jié)構(gòu)力學行為研究，通過自主搭建的微納米尺度鼓泡技術(shù)-原子力顯微術(shù)-顯微拉曼光譜聯(lián)用測試表征技術(shù)平臺，先后實現(xiàn)雙層石墨烯層間范德華界面可控剪切變形與界面剪切應力測量（Phys. Rev. Lett. 2017）；揭示界面強弱差異對微納米尺度鼓泡應變分布及大小的影響，提出預測納米尺度不同形狀鼓泡應變大小和分布的理論解（Phys. Rev. Lett. 2018，封面）；實現(xiàn)納米級厚度二維材料彎曲剛度實驗測量。由于層間范德華界面剪切變形和滑移影響，材料本征力學參數(shù)彎曲剛度和楊氏模量表現(xiàn)為獨立力學參量，傳統(tǒng)薄板理論中彎曲剛度與厚度關(guān)系不再適用（Phys. Rev. Lett. 2019，封面）；評述以上研究成果在應變工程、納米復合材料等領(lǐng)域的影響，揭示微納米尺度界面力學在多學科領(lǐng)域研究中的重要影響（Adv. Mater. 2019, Compos. A 2021）。  轉(zhuǎn)角雙層石墨烯包裹納米液泡示意圖、受力分析、側(cè)向力顯微鏡技術(shù)表征相鄰納米液泡的融合過程 國家納米科學中心、中國科學技術(shù)大學、美國德州大學奧斯丁分校、清華大學合作完成這一研究。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）、國家重大科學研究計劃等的資助。 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25302-2 |
