二維材料的形貌很大程度上會影響其理化特性及應用，例如質(zhì)子運輸速率和贗磁場等特性都依賴于二維材料的褶皺形貌。另一方面，平整無面外變形的二維材料也具有極大的研究和應用潛力，例如魔角石墨烯等。石墨烯作為二維材料的典型代表，由于其超潤滑性能夠靈活地在表面上滑動。滑移過程中的石墨烯由于其單層原子的二維結(jié)構(gòu)特性，在與基底原子相互作用下將同時產(chǎn)生面內(nèi)和面外變形以及復雜空間形貌，使其理化性質(zhì)發(fā)生改變。然而，對于石墨烯滑移過程中的形貌演化規(guī)律還不甚清楚。探索滑動過程中石墨烯的形貌演化具有重要意義。
圖1 “納米千足蟲”失穩(wěn)擺尾示意圖
研究人員基于分子動力學方法，考慮石墨烯納米條帶相對于基底的初始位置和條帶寬度等因素，針對石墨烯納米條帶在滑動過程中的擺尾行為進行了系統(tǒng)研究。研究發(fā)現(xiàn)了兩種不同的擺尾模式：不規(guī)律的小振幅擺動和規(guī)律的大振幅擺動（圖2）。為探究石墨烯納米條帶上摩爾紋形貌與擺尾行為之間的關系，研究人員針對較窄和較寬的納米條帶上的摩爾紋分別進行分析，發(fā)現(xiàn)擺尾行為的驅(qū)動力源于石墨烯納米條帶滑動方向兩側(cè)邊緣的峰-谷褶皺（圖3和圖4）。擁有對稱形貌的條帶幾乎不受力，因此表現(xiàn)出不規(guī)律的小振幅擺動；反之，擁有非對稱形貌的條帶受力不平衡，因此表現(xiàn)出規(guī)律的大振幅擺動。通過對條帶寬度的研究，發(fā)現(xiàn)擺尾行為隨寬度周期性變化，且周期為兩倍摩爾紋橫向?qū)挾取＿M一步研究表明，基底的變化（不同應變和旋轉(zhuǎn)方向）與石墨烯手性并非是擺尾行為的驅(qū)動力來源，而主要由條帶邊緣峰-谷褶皺驅(qū)動。峰-谷褶皺只出現(xiàn)在條帶邊緣，是擺尾行為的驅(qū)動力來源，可視為“納米千足蟲”之足；摩爾紋出現(xiàn)在條帶中間，幾乎不影響擺尾行為，可視為“納米千足蟲”之體。“納米千足蟲”不僅形似千足蟲，更在功能上相仿（圖1和圖5）。研究結(jié)果為邊緣效應對石墨烯納米條帶的滑動形貌及摩擦行為給出了機制上的解釋，可為其精確調(diào)控提供參考。
圖2 滑動擺尾過程中石墨烯納米條帶——“納米千足蟲”的形貌與摩爾云紋
圖3 較窄石墨烯納米條帶上摩爾紋與Y方向受力關系
圖4 較寬石墨烯納米條帶上摩爾紋與Y方向受力關系
圖5 由不同摩爾紋組成的“納米千足蟲”
復旦大學航空航天系博士生李睿揚為論文第一作者，復旦大學徐凡教授和法國巴黎薩克雷大學叢郁教授是論文的共同通訊作者。研究得到國家自然科學基金委、上海市科委、上海市教委等資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03084
