自建測試表征技術平臺，納米中心在這項研究中獲新進展

　　近日，國家納米科學中心張忠研究員、劉璐琪研究員團隊在范德華界面力學行為研究方面取得重要進展。相關研究成果以“Elastocapillary cleaning of twisted bilayer graphene interfaces”在線發表于Nature Communications (12, 5069, 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25302-2）。

　　以石墨烯為代表的二維材料具有優異的力、電、光、熱等物性。通過逐層堆垛組裝構筑的范德華同質/異質結體系可進一步拓展其性能，如特定角度堆疊的雙層轉角石墨烯表現出超導、超滑等物理力學行為。由于二維材料的大比表面積特性，在構筑范德華同質/異質結過程中，不可避免地夾雜空氣中水分子等雜質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、電鏡下液體池等多領域提供了新的研究契機。因此，如何克服鼓泡污染實現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、轉移、物性測量及應用中不可回避的關鍵問題。

　　針對同質/異質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/異質結構筑新策略，實現了轉角雙層石墨烯制備（ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2020； 12(36): 40958-67）。該工作中，研究團隊借助側向力顯微鏡技術表征轉角石墨烯莫爾云紋，實現了對范德華界面潔凈度的可視化表征。借助毛細力輔助轉移技術引入水、乙醇等介質構筑了納米級液泡。在彈性能和界面能競爭機制下納米液泡呈現幾何自相似性，具有特定彈性毛細參數。在探針力的激勵下石墨烯范德華界面表現出自清潔現象；得益于液泡的邊緣失穩，相鄰液泡間發生“長程”作用誘導納米液泡發生自發融合。研究揭示了不同于傳統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。通過理論分析結合微孔鼓泡實驗技術，進一步研究了預張力對彈性毛細參數和液泡間“長程”相互作用影響及調控，相關機制得到分子動力學模擬支持和驗證。

　　張忠研究員課題組長期致力于低維微納米材料及結構力學行為研究，在該領域有著深厚的研究經驗積累。通過自主搭建的微納米尺度鼓泡技術-原子力顯微術-顯微拉曼光譜聯用測試表征技術平臺，近5年先后實現了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）；實現了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，材料本征力學參數彎曲剛度和楊氏模量表現為獨立力學參量，傳統薄板理論中彎曲剛度與厚度關系不再適用（Phys. Rev. Lett. 2019, 封面）；并對以上研究成果在應變工程、納米復合材料等領域的影響進行了評述，揭示微納米尺度界面力學在多學科領域研究中的重要影響（Adv. Mater. 2019, Compos. A 2021）。

　　中國科學技術大學在國家納米中心聯合培養侯淵博士、美國德州大學奧斯丁分校戴兆賀博士、清華大學張帥博士為論文共同第一作者，分子動力學模擬由清華大學馮詩喆博士完成。國家納米科學中心劉璐琪研究員、張忠研究員，清華大學李群仰教授、徐志平教授為該工作的通訊作者。該系列工作先后得到了國家自然科學基金委項目重大和重點項目、中科院戰略性先導科技專項B類、科技部重大科學研究計劃等項目的共同資助。

　　圖: 轉角雙層石墨烯包裹納米液泡示意圖、受力分析、側向力顯微鏡技術表征相鄰納米液泡的融合過程