张忠课题组：二维材料力学性能研究取得新进展

wenzi

　9月9日，《物理评论快报》（Phys Rev Lett）作为主编推荐论文(Editors’Suggestion)在线发表了中国科学院国家纳米科学中心研究员张忠、刘璐琪在二维材料力学性能研究领域的最新工作，题为《多层范德华材料的弯曲》（Bending of Multilayer van der Waals Materials）。

　　二维材料原子级厚度、低的面外刚度特征极其容易发生面外失稳，产生褶皱、鼓泡、圆筒卷以及折叠等微结构。这些面外变形与二维材料自身弯曲刚度大小密切相关。受测试技术及纳米尺度样品操纵技术的制约，一直以来二维材料弯曲刚度实验测量是一个技术挑战。因此，研究人员一直沿用经典薄板理论中弯曲刚度(D)与弹性模量(E)、厚度(t3)的关系来估计材料的弯曲刚度大小。张忠、刘璐琪与美国德克萨斯州奥斯丁分校教授黄瑞、清华大学教授徐志平合作，发展了普适性测量少层二维材料弯曲刚度的微孔鼓泡实验技术，实现了少层石墨烯(Graphene)、六方氮化硼（hBN）、二硫化钼（MoS2）等三种材料弯曲刚度的直接实验测量。研究结果表明，由于二维材料层间存在剪切、滑移变形，导致材料弯曲刚度远低于经典薄板D-E理论预测。受层间范德华作用力大小及二维材料原子结构特征共同影响，虽然三种材料弹性模量E表现出 (MoS2<hBN<Graphene)，但是在相同厚度下，弯曲刚度D则表现为(MoS2>hBN>Graphene)。随研究对象的尺寸近一步减小到纳米尺度，多层二维材料的弯曲刚度和弹性模量间的关系已不再完全适用传统连续介质力学框架下的相关理论。

　　研究团队于2017年报道了利用微孔鼓泡实验技术在国际上“首次”实验测量了双层石墨烯的界面剪切强度（Phys Rev Lett 119 (2017) 036101），本工作是在相关研究基础上的延伸和拓展。

　　国家纳米中心联合培养研究生汪国睿、戴兆贺和中心硕士研究生肖俊凯为该论文共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委和中科院先导B项目等的共同资助。

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二维材料力学性能研究取得新进展

张忠，男，国家纳米科学中心研究员，博士生导师。于1990、1996、1999年在中国科学技术大学获学士、硕士和博士学位，博士研究生期间于1997-1998年在德国卡尔斯鲁厄研究中心和英国卢瑟福实验室联合培养。2000年德国洪堡学者，2001年获德国政府在洪堡基金会首次设立的Sofja Kovalevskaja Award青年科学家奖，在凯撒斯劳滕大学复合材料研究所组建了独立的研究小组。2005年回国在国家纳米科学中心工作至今。主要从事纳米复合材料力学、多级次多功能纳米复合材料、纳米复合材料制造及应用等研究，共发表学术论文190余篇，SCI论文他引6000余次，H因子48。2012年获国家杰出青年科学基金资助，曾获“中国科学院先进工作者”荣誉称号，入选国家百千万人才工程，被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉、享受国务院政府津贴。从2006年起作为项目和课题负责人承担了科技部纳米重大研究计划项目、科技部重点国际合作项目及中科院纳米先导A计划项目，同时开展了多项和国家电网、中国商飞、中天科技、德赛集团、德国拜耳、西门子、赢创德固赛、默克、日本三菱等企业的合作项目。担任国际复合材料领域知名学术期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing (IF=4.075)中国区主编(Chinese Editor)。是Composites Science & Technology, Journal of Composite Materials等五个国际学术期刊编委。

刘璐琪于2003年7月在中国科学院化学研究所取得博士学位， 其后以色列威兹曼科学研究院材料与界面系师从 H. Daniel Wagner 教授，进行博士后研究。于2007年2月加入国家纳米科学中心，现为研究员，博士生生导师。

二维材料，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼切斯特大学Geim 小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯（graphene） 而提出的。纳米材料是指材料在某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米尺度。纳米材料可以分为零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。零维材料是指电子无法自由运动的材料，如量子点、纳米颗粒与粉末。