新方法实现可控调节评估二维材料的不稳定性以供工程应用

二维材料具有原子级厚度和优异的机械物理性能，在半导体、柔性器件、复合材料等领域具有广阔的应用前景。

由于单层二维材料具有极低的弯曲刚度，在受到几何约束时会发生平面外变形，形成波纹、屈曲、起皱甚至折痕，这会显著影响其机械、电学和热学性能。

它们的机械稳定性还直接影响基于悬浮二维材料的设备的寿命和服务性能，例如微/纳机电系统(M/NEMS)，谐振器/振荡器，纳米剪纸/折纸，质子传输膜和纳米通道。

明确二维材料的机械稳定机制、实现其不稳定性行为的总体控制，对于二维材料和其他原子薄膜的机械应用至关重要。

香港大学机械工程系杨璐教授领导的研究团队在该领域取得重大突破，提供了一种评估原子级薄膜不稳定性的新方法。该成果发表在《自然通讯》上，题为“调节悬浮单层二维材料的不稳定性”。

卢教授团队与中国科学技术大学科研人员合作，提出一种“推剪”策略，首次实现对单层二维材料面内剪切变形的原位观察，实现了对二维材料不稳定特性的可控调控。

结合理论分析与分子动力学模拟，揭示了原子级薄膜中多阶不稳定性力学原理和调控机制。

该团队计划与工业合作伙伴合作开发一种新型原子薄膜力学测量平台，利用原位微/纳米力学技术实现高通量力学性能测量，同时实现材料器件物理性能的深度应变工程。

“这项研究突破了控制悬浮单原子层二维材料不稳定性行为的难题，实现了对单层石墨烯和二硫化钼(MoS2)弯曲刚度的测量。

“这项研究还为调节原子级薄膜的纳米级不稳定性形态和物理特性提供了新的机会，”卢教授说。“我们开发了一种基于MEMS的原位剪切装置来控制悬浮单层2D材料的不稳定性行为，这也适用于其他原子级薄膜。

“我们进一步研究了不稳定性引起的二维材料皱纹形貌的演变，揭示了由皱纹的波长和幅度变化主导的不同不稳定性和恢复路径，为评估原子级薄膜的不稳定行为和弯曲性能提供了一种新的实验力学方法。

“此外，与二维材料不稳定过程相关的局部应力/应变和曲率变化在物理和化学领域具有重要的应用，例如通过调整皱纹形貌来改变电子结构，建立快速的质子传输通道。”卢教授补充道。

论文第一作者、卢教授课题组博士后侯远博士表示：“该研究实现了以二维材料为代表的原子级薄材料不稳定性可控调控。与传统的拉伸应变调控相比，剪切应变可以深度调控二维材料的能带结构。”

“未来，我们将继续推进这项研究，最终希望实现深度应变下低维材料的力学与功能的一体化设计。”

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