在二维材料的界面上，固体凝聚态物理性质、化学性质与二维材料的粘附/剥离、摩擦及变形等力学行为密切相关。如应变通过界面在不同层之间的传递决定了其器件光电性能和机械稳定性。因此，理解二维材料的界面力学行为对理解其物理、化学性质进而指导具备特殊性质的二维材料器件至关重要。然而，目前的研究多集中在实验或仿真模拟现象的层面，对界面力学机理的理论研究还不深入。如研究发现石墨烯纳米带在不同基底上（如金、石墨烯、hBN等）的滑移表现为一种“粘-滑”滑移行为，并伴随着极低的周期性摩擦力。另外，界面摩擦力与接触面积呈现出一种奇特的尺度关系。但如何从理论层面阐释这些行为背后的机制，从而指导先进二维材料器件的研发，具有重要的科学与工程意义。
鉴于此，哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所王长国教授团队联合美国德州大学奥斯丁分校R. Huang教授团队以石墨烯纳米带/石墨烯基底为研究对象，建立了石墨烯纳米带剥离和滑移的连续介质力学模型，系统研究了纳米带的简单剥离、侧向约束滑移、无约束滑移、耦合剥离滑移等界面行为。研究结果以“Peeling and sliding of graphene nanoribbons with periodic van der Waals interactions”为题发表在固体力学期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上。
针对纳米带的剥离，研究发现，对于较长纳米带（长度>5nm）的90°剥离行为，其特点可由三个关键参数表征：初始剥离刚度（K_z），峰值剥离力（F_z^peak）以及稳态剥离力（F_z^SS），如下图所示。纳米带越长对应的稳态剥离过程越长。而更短的纳米带，其剥离过程中不会发生稳态剥离。另外，对于 1nm或更长的纳米带，其初始剥离刚度及峰值剥离力不随纳米带长度变化。若忽略纳米带的边界效应，其90°剥离行为是手性无关的。
图1 (a) 不同长度纳米带（宽度1 nm）的剥离力与端部剥离距离关系；(b) 初始剥离刚度及峰值剥离力与纳米带长度的关系
对于纳米带的滑移行为，情况要复杂的多。在初始滑移阶段，变形主要集中在纳米带拉伸端附近区域，其他部分的纳米带不发生任何变化。随着拉伸端位移的增加，滑移区域不断增加，而端部应变先增加至最大值然后逐渐减小，对应端部拉伸力的周期性变化，如下图所示。当端部应变降为零时，应变孤子在拉伸端形成，且处于不稳定状态。应变孤子一旦形成，即使不再继续增加拉伸位移，也会迅速向纳米带尾端移动，直至完全消失。表现为纳米带的“粘-滑”滑移行为。
图2 锯齿形纳米带（L = 150 nm，b = 1 nm）沿x轴方向上的无约束滑移。(a) 拉伸力与拉伸位移的关系；(b) 纳米带轴向应变、(c) 轴向位移及 (d) 侧向位移的演化
由于拉伸时伴随着侧向位移，沿不同方向滑移将产生不同的应变孤子。如沿锯齿方向拉伸纳米带仅产生一种应变孤子，且主要发生拉伸应变。整个纳米带随着拉伸在侧向距离0与a/2 之间往复摆动，表现为“蛇形滑移”行为。而沿扶手椅方向拉伸纳米带时，会产生两种应变孤子，且两者交替产生，如下图所示。一种应变孤子包含剪切应变和拉伸应变，且应变孤子形成过程中伴随着纳米带的侧向扭结。另一种应变孤子仅为拉伸应变，且过程中纳米带始终无侧向位移。哪一种应变孤子首先产生取决于纳米带相对基底的初始位置（AB堆叠或BA堆叠）。
图3 扶手椅形纳米带（L = 150 nm，b = 1 nm）沿y轴方向上的无约束滑移。(a) 拉伸力与拉伸位移的关系；(b) 纳米带轴向应变、(c) 轴向位移及 (d) 侧向位移的演化
图4 分别沿(a,b)锯齿方向和(c,d)扶手椅方向拉伸时，应变孤子在纳米带（b=L=100nm）中形成的轴向和剪切应变分布
该研究揭示了纳米带滑移时发生“粘-滑”现象的内在机制以及纳米带剥离行为，对深入理解层合二维材料的界面力学机制具有重要意义。此外，该研究还利用剥离与滑移的耦合特点，提出了一种间接测量表征界面相互作用的简便实验方法。
论文第一作者为哈尔滨工业大学2016级博士生薛智明，通讯作者为哈尔滨工业大学王长国教授和美国德州大学奥斯丁分校R. Huang教授。研究得到了国家自然科学基金、中国国家留学基金等项目的资助。
哈工大王长国教授研究团队长期围绕柔性材料与结构方向开展研究，包括：细薄柔性结构力学、柔性功能材料与器件力学、新能源材料与力学。承担多项国家重大科技专项与国家自然科学基金等项目，授权发明专利百余项，成果在我国重要装备与型号中获得应用。近年来在JMPS和IJSS等发表学术论文百余篇，主编出版学术专著3部，获多项省部级科技奖励。团队主页：http://homepage.hit.edu.cn/wangchg。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104698