范德华作用是最基本的分子间作用力之一。虽然同质结构间的范德华作用在20世纪已得到了系统的理论研究和精细的实验表征，但对于异质结构（尤其是工程应用中常见的薄膜-基底体系），其作用是否可以通过分子间相互作用的简单体积积分来叠加，长期以来存在理论和实验上的争议。北京大学力学与工程科学学院力学系戴兆贺研究员及合作者近期围绕这一基础问题，以“Transparency of graphene to solid-solid van der Waals interactions”为题，于物理领域旗舰期刊Physical Review Letters发表论文。该工作被选为封面和编辑推荐论文，并被Physics Magazine报道。

论文封面
 

      石墨烯-硅衬底体系中的薄膜厚度可以精确控制至原子尺度，为解决这一争议问题提供了理想实验平台。然而，在单原子层厚度下，薄膜极易发生几何非线性变形，对实验测量和数据解析带来巨大挑战。针对这一难题，团队提出了“原子力显微镜表征+非线性薄膜力学分析”相结合的研究方案。研究人员首先通过配备胶体探针的原子力显微镜（图1），测量了石墨烯在悬浮与支撑状态下的拉脱力（pull-off force）。结果表明，拉脱力可通过接触力学模型转化为界面能，其转换系数随薄膜可变形能力增强而渐近收敛至刚性结构的一半（图2）。这一修正对于解释薄膜材料自发撕裂等界面现象至关重要。

图1. 实验设计示意图与典型力-位移曲线

图2. 悬浮与支撑薄膜上的拉脱力测量与表观黏附能的转换
 

       团队进一步进行了非接触的探针跳入（pull-in）实验，结果显示了薄膜厚度对膜-基体系范德华叠加性的调控规律。单层薄膜能够屏蔽10%的下方基底范德华作用，而当厚度增加至五层时，屏蔽效率可提升至约50%。该结果与校正的Lifshitz理论模型预测一致（图5）。该成果不仅为揭示异质膜-基体系中范德华作用的本质提供了坚实证据，也建立了一套普适的力学测量与分析框架，为低维材料物理、界面力学以及新型薄膜器件设计提供了重要理论支撑。

       该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。北京大学力学与工程科学学院力学系博士生于川立为论文的第一作者，戴兆贺为通讯作者。其他合作者还包括北大力学系博士生曾维嘉、博士后王文祥，南京航空航天大学刘小飞教授和寇泽普、清华大学李群仰教授和王玲。

转自《北京大学新闻网》