范德華作用是最基本的分子間作用力之一。雖然同質結構間的范德華作用在20世紀已得到了系統的理論研究和精細的實驗表征，但對于異質結構（尤其是工程應用中常見的薄膜-基底體系），其作用是否可以通過分子間相互作用的簡單體積積分來疊加，長期以來存在理論和實驗上的爭議。北京大學力學與工程科學學院力學系戴兆賀研究員及合作者近期圍繞這一基礎問題，以“Transparency of graphene to solid-solid van der Waals interactions”為題，于物理領域旗艦期刊Physical Review Letters發表論文。該工作被選為封面和編輯推薦論文，并被Physics Magazine報道。
論文封面
石墨烯-硅襯底體系中的薄膜厚度可以精確控制至原子尺度，為解決這一爭議問題提供了理想實驗平臺。然而，在單原子層厚度下，薄膜極易發生幾何非線性變形，對實驗測量和數據解析帶來巨大挑戰。針對這一難題，團隊提出了“原子力顯微鏡表征+非線性薄膜力學分析”相結合的研究方案。研究人員首先通過配備膠體探針的原子力顯微鏡（圖1），測量了石墨烯在懸浮與支撐狀態下的拉脫力（pull-off force）。結果表明，拉脫力可通過接觸力學模型轉化為界面能，其轉換系數隨薄膜可變形能力增強而漸近收斂至剛性結構的一半（圖2）。這一修正對于解釋薄膜材料自發撕裂等界面現象至關重要。
圖1. 實驗設計示意圖與典型力-位移曲線
圖2. 懸浮與支撐薄膜上的拉脫力測量與表觀黏附能的轉換
團隊進一步進行了非接觸的探針跳入（pull-in）實驗，結果顯示了薄膜厚度對膜-基體系范德華疊加性的調控規律。單層薄膜能夠屏蔽10%的下方基底范德華作用，而當厚度增加至五層時，屏蔽效率可提升至約50%。該結果與校正的Lifshitz理論模型預測一致（圖5）。該成果不僅為揭示異質膜-基體系中范德華作用的本質提供了堅實證據，也建立了一套普適的力學測量與分析框架，為低維材料物理、界面力學以及新型薄膜器件設計提供了重要理論支撐。
該研究工作得到了國家自然科學基金的支持。北京大學力學與工程科學學院力學系博士生于川立為論文的第一作者，戴兆賀為通訊作者。其他合作者還包括北大力學系博士生曾維嘉、博士后王文祥，南京航空航天大學劉小飛教授和寇澤普、清華大學李群仰教授和王玲。
轉自《北京大學新聞網》
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