徐志平等揭示二维材料奇异力学特性中的拓扑与几何效应
清华新闻网12月18日电 12月18日，清华大学航天航空学院工程力学系、清华大学微纳米力学中心徐志平研究组在《美国化学学会－纳米》（ACS Nano）期刊在线发表题为Defect-Detriment To Graphene Strength Is Concealed By Local Probe: The Topological And Geometrical Effects（含缺陷石墨烯的力学：拓扑和几何效应）的研究论文，揭示了含有拓扑缺陷的石墨烯在力学载荷下的行为，并指出其在整体和局部力学载荷下的响应并不等同，甚至迥异。这一发现为低维材料的力学表征以及利用缺陷对低维材料特性进行调控提供了新的理解和设计参考。
基于原子模拟的研究揭示了缺陷对石墨烯力学特性影响的拓扑和几何效应。
石墨烯作为单原子层厚度的二维材料，具有独特的机械、电、光等性质。与三维体相材料相比，空位、掺杂、位错等缺陷对于二维材料性质的影响更为显著。受到单晶石墨实验制备手段的限制，石墨烯晶粒尺度大小目前最高仅可达到厘米量级，因此宏观尺度的石墨烯连续薄膜往往有着多晶的微观结构。由于不同晶粒取向之间的差异，在晶界处存在着大量的拓扑缺陷，例如不同于单晶石墨烯中六边形的五、七边形结构。这类缺陷结构的出现将改变材料的性能和对外场的响应，例如会影响材料的机械刚度、强度特性，引起对电子、声子输运的散射等。随着晶粒尺度的增加，即相同尺寸样品中缺陷浓度的下降，拓扑缺陷对电子、声子散射和机械刚度的影响会相对地减弱，而材料的强度由于取决于材料中最薄弱的部位，仍然会对缺陷的存在而敏感。
左为含有孤立五边形的锥形石墨烯片，右为含有孤立七边形的马鞍形石墨烯片。
徐志平研究组研究了含拓扑缺陷石墨烯在局部和整体力学载荷作用下的力学响应，发现了缺陷的拓扑和几何效应。多晶石墨烯晶界处存在大量的五、七边形，其配对可看作石墨烯晶体中的刃位错。位错的堆积将引起与其堆积长度成对数关系的应力累积，从而在力学载荷下体现出随晶粒增大而材料强度降低的赝Hall-Petch关系等拓扑效应。此外，拓扑缺陷的存在会使得石墨烯偏离平面构型，出现离面的几何变形。例如，含有孤立五、七边形缺陷的石墨烯将分别变形成为具有正高斯曲率的锥形和负高斯曲率的马鞍形。由于对二维材料进行面内拉伸等整体力学加载技术难度较大，石墨烯力学特性的实验测试目前主要采用纳米压痕技术，通过压力和压入深入的关系推测材料的面内力学特性。这项研究发现拓扑缺陷的几何效应使得其力学特性难以通过此类局部探测技术进行表征－压痕所测得等效刚度、强度与离面变形的幅度相关，对于特殊的缺陷构型甚至会出现测量所得刚度、强度等力学性能要优于单晶石墨烯的假象，而这与面内拉伸等整体载荷作用下材料因缺陷而减弱的响应是不一致的。因此针对基于石墨烯的纳米机械器件与材料 的应用，必须同时对缺陷引起的拓扑与几何效应进行考虑。
由于石墨烯等二维材料中的每一个原子都暴露在环境中，拓扑缺陷显著的拓扑和几何效应也提供了一种原子尺度材料设计、改性的思路。通过控制生长、热或辐射处理等方式引入恰当的缺陷种类并设计其结构与空间分布，可实现原子尺度的几何结构设计或者局部应力应变调控。例如可以通过恰当地引入拓扑缺陷构建用于实现具有一定几何形状、尺寸的选择性水或离子流动纳米通道、用于光电子器件的原子尺度超晶格结构等。
左图为缺陷几何效应对石墨烯力学响应的影响示意；中图为石墨烯中晶界处五、七边形拓扑缺陷分布；右图为纳米压痕测量力学响应时局部缺陷类型与其刚度、强度的关联。图中的五、七边形符号对应在三晶界交汇处的缺陷类型，六边形为单晶石墨烯的数据。
该论文通讯作者为徐志平和美国莱斯大学Boris I. Yakobson（雅各布逊）教授，第一作者为清华大学航院微纳米力学中心2014级博士生宋智功，其他合作者包括清华大学航天航空学院吴坚副研究员、美国莱斯大学的Vasilii I. Artyukhov（阿尔特尤克霍）博士。徐志平博士于2010年入职于清华大学工程力学系、微纳米力学与多学科交叉创新研究中心，任副研究员，研究兴趣为微纳米尺度下的能量传递、转换过程，材料细观结构与宏观性能关联等物理力学问题，以及这些基础研究在环境、能源等领域的应用。
这些研究工作受到国家自然科学基金委员会、清华大学引智计划等资助。研究中的计算模拟工作在清华大学高性能计算中心探索100平台上完成。
