近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心納米系統(tǒng)與多級(jí)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MeasuringInterlayerShearStressinBilayerGraphene(《測(cè)試雙層石墨烯層間剪切阻力》)發(fā)表在《物理評(píng)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(FocusStory)在[Physics10(2017)81]以《石墨烯在石墨烯上滑動(dòng)》(GrapheneSlidingonGraphene)為題報(bào)道，認(rèn)為這項(xiàng)研究通過鼓泡方法首次測(cè)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(Creatingabulgeinagraphenesheetoffersthefirstmeasurementoftheshearforcesbetweengraphenelayers，anessentialfactorinmanygraphene-baseddevices)。該研究工作得到了國(guó)家基礎(chǔ)研究計(jì)劃納米重大研發(fā)計(jì)劃、國(guó)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(jí)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(duì)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(duì)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(cè)量層間剪切變形場(chǎng)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(dòng)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(cè)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(rùn)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(guó)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HoracioEspinosa對(duì)此研究給予高度評(píng)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(cè)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(guó)萊布尼茲新材料研究所教授RolandBennewitz認(rèn)為該研究為理解石墨烯優(yōu)越的潤(rùn)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(rùn)滑效果”。

論文的共同第一作者是在國(guó)家納米中心聯(lián)合培養(yǎng)的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生汪國(guó)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(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、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；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(jì)[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(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(guó)家電網(wǎng)、中國(guó)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。