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近日，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心納米系統(tǒng)與多級次制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員張忠、劉璐琪和清華大學(xué)教授徐志平合作，設(shè)計(jì)和發(fā)展了微納鼓泡力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，精確表征了雙層石墨烯層間的范德華剪切作用，相關(guān)研究成果Measuring Interlayer Shear Stress in Bilayer Graphene(《測試雙層石墨烯層間剪切阻力》)發(fā)表在《物理評論快報(bào)》[Phys. Rev. Lett. 119 (2017) 036101]，并作為當(dāng)期的主編推薦論文(Editors' Suggestion)。該工作同時(shí)被作為焦點(diǎn)故事(Focus Story)在[Physics 10 (2017) 81]以《石墨烯在石墨烯上滑動》(Graphene Sliding on Graphene)為題報(bào)道，認(rèn)為這項(xiàng)研究通過鼓泡方法首次測量了石墨烯層間剪切力，獲得了石墨烯器件的一個(gè)重要參量 (Creating a bulge in a graphene sheet offers the first measurement of the shear forces between graphene layers, an essential factor in many graphene-based devices)。該研究工作得到了國家基礎(chǔ)研究計(jì)劃納米重大研發(fā)計(jì)劃、國家杰出青年科學(xué)基金等的支持。

　　二維材料表現(xiàn)出多種優(yōu)異和新奇的特性，得到了廣泛關(guān)注和研究。實(shí)際上，由于制備技術(shù)的限制或者功能設(shè)計(jì)的需要，目前在應(yīng)用中單原子層的二維材料往往堆疊成多層結(jié)構(gòu)，多層石墨烯/聚合物復(fù)合材料、多級次層狀結(jié)構(gòu)二維材料電容器、多層二維材料異質(zhì)結(jié)等是比較常見的例子。作為“表界面”材料，多層二維材料層間的界面范德華作用對于應(yīng)用中功能特性的發(fā)揮以及服役可靠性方面至關(guān)重要，然而目前研究對于二維材料層間變形和作用的關(guān)鍵參數(shù)知之甚少。該研究團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計(jì)了微納鼓泡實(shí)驗(yàn)方法，通過均勻地調(diào)控微納孔內(nèi)外的壓力差，控制孔上單層/雙層石墨烯的鼓起，從而實(shí)現(xiàn)“拉拽”孔外基底吸附的單層/雙層石墨烯向微孔中心產(chǎn)生滑移；在雙層石墨烯鼓泡實(shí)驗(yàn)中，與下層石墨烯和二氧化硅基底之間的界面作用相比，石墨烯層間界面有著更弱的剪切阻力；借助拉曼光譜和原子力顯微技術(shù)，可以精確地測量層間剪切變形場隨著壓力增大而擴(kuò)展，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析、理論計(jì)算和分子動力學(xué)模擬，最終獲得雙層石墨烯層間的剪切阻力約為40千帕斯卡；這比用相同實(shí)驗(yàn)技術(shù)測得的單原子層石墨烯和氧化硅基底的剪切阻力低了大約40倍。該工作提供了一種新穎可控的實(shí)驗(yàn)技術(shù)來表征二維材料層間范德華剪切作用，進(jìn)而幫助理解二維材料層間的潤滑作用，同時(shí)也為二維材料的應(yīng)變工程提供了新的思路。

　　美國西北大學(xué)的微納米力學(xué)專家、歐洲科學(xué)院及俄羅斯科學(xué)院院士Horacio Espinosa對此研究給予高度評價(jià)，“該研究給出了一種精致和新穎的實(shí)驗(yàn)技術(shù)來測量二維材料層間及和基底的界面性能，研究結(jié)果將為器件和材料設(shè)計(jì)提供新的機(jī)遇”。致力于納米摩擦學(xué)的德國萊布尼茲新材料研究所教授Roland Bennewitz認(rèn)為該研究為理解石墨烯優(yōu)越的潤滑性能提供了定量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并認(rèn)為“這項(xiàng)研究作為基石，為相關(guān)的原子尺度模擬提供了可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而人們可以更好地理解石墨烯優(yōu)異的潤滑效果”。

　　論文的共同第一作者是在國家納米中心聯(lián)合培養(yǎng)的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生汪國睿及中科院力學(xué)研究所研究生戴兆赫。該研究工作是和中科院半導(dǎo)體研究所研究員譚平恒、北京大學(xué)教授魏悅廣、美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校教授黃銳等合作完成的。

　　該課題組近年來在科技部、國家自然科學(xué)基金委員會、中科院的支持下，在納米材料界面力學(xué)[Compos. Sci. Technol. 149 (2017) 220; Compos. Sci. Technol. 136 (2016) 1; ACS Appl. Mater. Inter. 8 (2016) 22554; Carbon 86 (2015) 69; Compos. Sci. Technol. 77 (2013) 101; Polymer 54 (2013) 456] 和納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)[Small 29 (2017) in press; Carbon 121 (2017) 544; Carbon 121 (2017) 490; Adv. Funct. Mater. 26 (2016) 7003; Adv. Funct. Mater. 26 (2016) 303; Small 12 (2016) 3327; ACS Appl. Mater. Inter. 8 (2016) 311; Sci. Rep. 6 (2016) 32989; Sci. Rep. 6 (2016) 18930; Nanoscale 7 (2015) 9252; Carbon 94 (2015) 101; Nanoscale 6 (2014) 6932; Nanoscale 5 (2013) 12171; Small 9 (2013) 2466] 等方面取得了多項(xiàng)研究進(jìn)展和系列的研究成果。課題組以此為基礎(chǔ)，拓展了納米復(fù)合材料在重要領(lǐng)域的應(yīng)用研究，開展了包括和國家電網(wǎng)、中國商飛、碳谷科技、德賽集團(tuán)、中天科技等骨干行業(yè)企業(yè)的合作研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

論文鏈接： https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.036101 

Physics Focus 鏈接：https://physics.aps.org/articles/v10/81  

　　 

　　微納鼓泡力學(xué)實(shí)驗(yàn)示意圖：這個(gè)剖面圖展示了原子級厚度的雙層石墨烯被覆蓋在一個(gè)微米孔上，通過精確控制孔內(nèi)外空氣的壓力差使石墨烯凸起，測量孔周圍剪切應(yīng)變場的擴(kuò)展，可以獲得雙層石墨烯層間的剪切阻力。上層石墨烯應(yīng)變場(藍(lán)色)的擴(kuò)展速率要比下層石墨烯(黃色)大得多。