Nano Letters封面論文

二維材料的航空航天形貌很大程度上會影響其理化特性及應用，例如質子運輸速率和贗磁場等特性都依賴于二維材料的系徐褶皺形貌。另一方面，凡課發現平整無面外變形的題組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。納米石墨烯作為二維材料的千足典型代表，由于其超潤滑性能夠靈活地在表面上滑動。蟲失滑移過程中的穩擺尾行石墨烯由于其單層原子的二維結構特性，在與基底原子相互作用下將同時產生面內和面外變形以及復雜空間形貌，航空航天使其理化性質發生改變。系徐然而，凡課發現對于石墨烯滑移過程中的題組形貌演化規律還不甚清楚。探索滑動過程中石墨烯的納米形貌演化具有重要意義。

近日，千足復旦大學航空航天系徐凡教授課題組與巴黎薩克雷大學叢郁教授合作研究揭示了石墨烯納米條帶——“納米千足蟲”的蟲失可調控失穩擺尾行為，研究成果以“Tunable Tail Swing of Nanomillipedes”為題作為封面論文發表于Nano Letters。

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研究。研究發現了兩種不同的擺尾模式：不規律的小振幅擺動和規律的大振幅擺動（圖1）。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，發現擺尾行為的驅動力源于石墨烯納米條帶滑動方向兩側邊緣的峰-谷褶皺（圖2和圖3）。擁有對稱形貌的條帶幾乎不受力，因此表現出不規律的小振幅擺動；反之，擁有非對稱形貌的條帶受力不平衡，因此表現出規律的大振幅擺動。通過對條帶寬度的研究，發現擺尾行為隨寬度周期性變化，且周期為兩倍摩爾紋橫向寬度。進一步研究表明，基底的變化（不同應變和旋轉方向）與石墨烯手性并非是擺尾行為的驅動力來源，而主要由條帶邊緣峰-谷褶皺驅動。峰-谷褶皺只出現在條帶邊緣，是擺尾行為的驅動力來源，可視為“納米千足蟲”之足；摩爾紋出現在條帶中間，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4）。研究結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，可為其精確調控提供參考。

圖1 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2 較窄石墨烯納米條帶上摩爾紋與Y方向受力關系

圖3 較寬石墨烯納米條帶上摩爾紋與Y方向受力關系

圖4 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、上海市基礎研究特區計劃、上海市教委等資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03084

制圖：實習編輯：蘇堯祎責任編輯：李斯嘉