顆粒在線訊：近日，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員張忠、劉璐琪團(tuán)隊(duì)等，在范德華界面力學(xué)行為研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Elastocapillary cleaning of twisted bilayer graphene interfaces為題，在線發(fā)表在Nature Communications上。

　　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(jìn)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(dǎo)、超滑等物理力學(xué)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(yù)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(yīng)變工程、高壓化學(xué)、限域催化、電鏡下液體池等領(lǐng)域提供了新的研究契機(jī)。因此，如何克服鼓泡污染實(shí)現(xiàn)范德華界面原子級潔凈、鼓泡應(yīng)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(yīng)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(xué)行為難于測量與表征這一難題。研究團(tuán)隊(duì)提出角度可控范德華同質(zhì)/異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑新策略，實(shí)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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了對范德華界面潔凈度的可視化表征。研究借助毛細(xì)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(jī)制下納米液泡呈現(xiàn)幾何自相似性，具有特定彈性毛細(xì)參數(shù)。在探針力的激勵(lì)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(dǎo)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(jī)制下二維材料彈性能對融合過程的影響和貢獻(xiàn)。研究人員通過理論分析結(jié)合微孔鼓泡實(shí)驗(yàn)技術(shù)，進(jìn)一步探討了預(yù)張力對彈性毛細(xì)參數(shù)和液泡間“長程”相互作用影響及調(diào)控，相關(guān)機(jī)制得到分子動(dòng)力學(xué)模擬支持和驗(yàn)證。

　　張忠課題組致力于低維微納米材料及結(jié)構(gòu)力學(xué)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(shí)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(yīng)力測量（Phys. Rev. Lett., 2017）；揭示界面強(qiáng)弱差異對微納米尺度鼓泡應(yīng)變分布及大小的影響，提出預(yù)測納米尺度不同形狀鼓泡應(yīng)變大小和分布的理論解（Phys. Rev. Lett., 2018，封面）；實(shí)現(xiàn)納米級厚度二維材料彎曲剛度實(shí)驗(yàn)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(xué)參數(shù)彎曲剛度和楊氏模量表現(xiàn)為獨(dú)立力學(xué)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(yīng)變工程、納米復(fù)合材料等領(lǐng)域的影響，揭示微納米尺度界面力學(xué)在多學(xué)科領(lǐng)域研究中的重要影響（Adv. Mater., 2019, Compos. A 2021）。

　　國家納米科學(xué)中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、美國德州大學(xué)奧斯丁分校、清華大學(xué)合作完成這一研究。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、國家重大科學(xué)研究計(jì)劃等的資助。

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