清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉研究團(tuán)隊(duì)
在石墨層間解離能研究上取得重大進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)9月17日電 近日，清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉研究中心（簡(jiǎn)稱CNMM）鄭泉水教授與美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)David J. Srolovitz教授的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在石墨層間解理能研究上取得重大進(jìn)展，相關(guān)工作以"Measurement of the cleavage energy of graphite"（石墨層間解離能的測(cè)量）為標(biāo)題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《自然通訊》（Nature Communications）上。清華大學(xué)CNMM暨航天航空學(xué)院的博士生王穩(wěn)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(rùn)滑狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)下層石墨片層相對(duì)于上層石墨片層運(yùn)動(dòng)來測(cè)量石墨的解離能。
c圖：利用原位校準(zhǔn)的力傳感器測(cè)量片層相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的剪切力，同時(shí)控制實(shí)驗(yàn)環(huán)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(nèi)在很強(qiáng)的sp2鍵作用下碳原子緊密排布形成蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，相比于面內(nèi)較強(qiáng)的化學(xué)鍵相互作用，石墨層間相互作用則為很弱的范德華作用。這種面內(nèi)相互作用很強(qiáng)而面外相互作用很弱的強(qiáng)烈對(duì)比導(dǎo)致了石墨很多奇特的物理和力學(xué)特性。石墨層間解理能是一個(gè)非常重要且基本的物理參數(shù)，精確測(cè)量石墨層間解理能對(duì)理解石墨、石墨烯、碳納米管等碳類材料特殊的性質(zhì)有重要的意義。
長(zhǎng)久以來，石墨層間解理能爭(zhēng)論較大。從理論的角度來看，難點(diǎn)在于恰當(dāng)?shù)匕鎯?nèi)較強(qiáng)的短程化學(xué)鍵相互作用和面外相對(duì)較弱的長(zhǎng)程范德華相互作用，前者是由于電子云的重疊引起的，而后者是由于電荷漲落，即色散相互作用/力。從實(shí)驗(yàn)角度來看，盡管已經(jīng)發(fā)展了很多實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量石墨層間的相互作用能量，但是絕大多數(shù)方法都不是直接測(cè)量，需要建立相應(yīng)的理論模型并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量才能得到結(jié)果。目前還沒有看到直接測(cè)量石墨層間解離能的報(bào)道，而以前間接測(cè)量得到的石墨層間能量分散性很大，這一結(jié)果是不能讓人信服的。
鄭泉水教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組長(zhǎng)期致力于石墨超潤(rùn)滑特性研究，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，精確測(cè)量石墨層間解離能也引起了鄭教授極大的興趣。基于近期發(fā)現(xiàn)的微米級(jí)石墨樣品的自回復(fù)現(xiàn)象和超潤(rùn)滑性質(zhì)，研制相關(guān)的測(cè)量設(shè)備，鄭教授研究組實(shí)現(xiàn)了石墨層間解離能的精確測(cè)量。研究發(fā)現(xiàn)非共度狀態(tài)下石墨層間解理能在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的范圍內(nèi)幾乎不隨溫度、非共度角、尺度、真空度的改變而變化。該實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的石墨層間解理能為直接測(cè)量，精度高，為判定多類基于第一原理的計(jì)算模型是否合理提供了一個(gè)基準(zhǔn)。
該項(xiàng)研究獲得國(guó)家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃和唐仲英基金會(huì)資助。
文章鏈接：http://www.nature.com/ncomms/2015/150828/ncomms8853/full/ncomms8853.html
供稿：微納米科學(xué)與技術(shù)研究中心 編輯：田心
