近日，中國科學院國家納米科學中心納米系統(tǒng)與多級次制造重點實驗室研究員張忠、劉璐琪和清華大學教授徐志平合作，設(shè)計和發(fā)展了微納鼓泡力學實驗技術(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MeasuringInterlayerShearStressinBilayerGraphene(《測試雙層石墨烯層間剪切阻力》)發(fā)表在《物理評論快報》[Phys.Rev.Lett.119(2017)036101]，并作為當期的主編推薦論文(EditorsSuggestion)。該工作同時被作為焦點故事(FocusStory)在[Physics10(2017)81]以《石墨烯在石墨烯上滑動》(GrapheneSlidingonGraphene)為題報道，認為這項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重要參量(Creatingabulgeinagraphenesheetoffersthefirstmeasurementoftheshearforcesbetweengraphenelayers,anessentialfactorinmanygraphene-baseddevices)。該研究工作得到了國家基礎(chǔ)研究計劃納米重大研發(fā)計劃、國家杰出青年科學基金等的支持。

 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。實際上，由于制備技術(shù)的限制或者功能設(shè)計的需要，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。該研究團隊巧妙地設(shè)計了微納鼓泡實驗方法，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驗中，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展，結(jié)合實驗分析、理論計算和分子動力學模擬，最終獲得雙層石墨烯層間的剪切阻力約為40千帕斯卡；這比用相同實驗技術(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驗技術(shù)來表征二維材料層間范德華剪切作用，進而幫助理解二維材料層間的潤滑作用，同時也為二維材料的應(yīng)變工程提供了新的思路。

 美國西北大學的微納米力學專家、歐洲科學院及俄羅斯科學院院士HoracioEspinosa對此研究給予高度評價，“該研究給出了一種精致和新穎的實驗技術(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)計提供新的機遇”。致力于納米摩擦學的德國萊布尼茲新材料研究所教授RolandBennewitz認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驗基礎(chǔ)，并認為“這項研究作為基石，為相關(guān)的原子尺度模擬提供了可靠的實驗結(jié)果，進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)的中國科學技術(shù)大學博士研究生汪國睿及中科院力學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、北京大學教授魏悅廣、美國德克薩斯大學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、國家自然科學基金委員會、中科院的支持下，在納米材料界面力學[Compos.Sci.Technol.149(2017)220;Compos.Sci.Technol.136(2016)1;ACSAppl.Mater.Inter.8(2016)22554;Carbon86(2015)69;Compos.Sci.Technol.77(2013)101;Polymer54(2013)456]和納米復(fù)合材料設(shè)計[Small29(2017)inpress;Carbon121(2017)544;Carbon121(2017)490;Adv.Funct.Mater.26(2016)7003;Adv.Funct.Mater.26(2016)303;Small12(2016)3327;ACSAppl.Mater.Inter.8(2016)311;Sci.Rep.6(2016)32989;Sci.Rep.6(2016)18930;Nanoscale7(2015)9252;Carbon94(2015)101;Nanoscale6(2014)6932;Nanoscale5(2013)12171;Small9(2013)2466]等方面取得了多項研究進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、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。（來源：中國科學院國家納米科學中心）

 意圖：這個剖面圖展示了原子級厚度的雙層石墨烯被覆蓋在一個微米孔上，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(藍色)的擴展速率要比下層石墨烯(黃色)大得多。

原標題:石墨烯原子級層間剪切作用研究獲進展