清華新聞網9月17日電 近日,清華大學微納米力學與多學科交叉研究中心(簡稱CNMM)鄭泉水教授與美國賓夕法尼亞大學David J. Srolovitz教授的聯合研究團隊在石墨層間解理能研究上取得重大進展,相關工作以"Measurement of the cleavage energy of graphite"(石墨層間解離能的測量)為標題發表在國際著名期刊《自然通訊》(Nature Communications)上。清華大學CNMM暨航天航空學院的博士生王穩為文章的第一作者。
a圖:石墨樣品由在平面基底上的兩層矩形單晶石墨薄片堆垛而成。
b圖:在超潤滑狀態下驅動下層石墨片層相對於上層石墨片層運動來測量石墨的解離能。
c圖:利用原位校準的力傳感器測量片層相對運動時的剪切力,同時控制實驗環境溫度和真空度。
石墨是由多層石墨烯堆積而成,每層石墨烯面內在很強的sp2鍵作用下碳原子緊密排布形成蜂窩狀的結構,相比於面內較強的化學鍵相互作用,石墨層間相互作用則為很弱的範德華作用。這種面內相互作用很強而面外相互作用很弱的強烈對比導致了石墨很多奇特的物理和力學特性。石墨層間解理能是一個非常重要且基本的物理參數,精確測量石墨層間解理能對理解石墨、石墨烯、碳納米管等碳類材料特殊的性質有重要的意義。
長久以來,石墨層間解理能爭論較大。從理論的角度來看,難點在於恰當地包含面內較強的短程化學鍵相互作用和面外相對較弱的長程範德華相互作用,前者是由於電子云的重疊引起的,而後者是由於電荷漲落,即色散相互作用/力。從實驗角度來看,儘管已經發展了很多實驗方法測量石墨層間的相互作用能量,但是絕大多數方法都不是直接測量,需要建立相應的理論模型並結合實驗測量才能得到結果。目前還沒有看到直接測量石墨層間解離能的報導,而以前間接測量得到的石墨層間能量分散性很大,這一結果是不能讓人信服的。
鄭泉水教授領導的研究組長期致力於石墨超潤滑特性研究,取得了長足的進展,精確測量石墨層間解離能也引起了鄭教授極大的興趣。基於近期發現的微米級石墨樣品的自回復現象和超潤滑性質,研製相關的測量設備,鄭教授研究組實現了石墨層間解離能的精確測量。研究發現非共度狀態下石墨層間解理能在實驗測量的範圍內幾乎不隨溫度、非共度角、尺度、真空度的改變而變化。該實驗測量得到的石墨層間解理能為直接測量,精度高,為判定多類基於第一原理的計算模型是否合理提供了一個基準。
該項研究獲得國家重大基礎研究計劃和唐仲英基金會資助。
文章連結:http://www.nature.com/ncomms/2015/150828/ncomms8853/full/ncomms8853.html
供稿:微納米科學與技術研究中心 編輯:田心