二维材料的形貌很大程度上会影响其理化特性及应用，例如质子运输速率和赝磁场等特性都依赖于二维材料的褶皱形貌。另一方面，平整无面外变形的二维材料也具有极大的研究和应用潜力，例如魔角石墨烯等。石墨烯作为二维材料的典型代表，由于其超润滑性能够灵活地在表面上滑动。滑移过程中的石墨烯由于其单层原子的二维结构特性，在与基底原子相互作用下将同时产生面内和面外变形以及复杂空间形貌，使其理化性质发生改变。然而，对于石墨烯滑移过程中的形貌演化规律还不甚清楚。探索滑动过程中石墨烯的形貌演化具有重要意义。

图1 “纳米千足虫”失稳摆尾示意图

研究人员基于分子动力学方法，考虑石墨烯纳米条带相对于基底的初始位置和条带宽度等因素，针对石墨烯纳米条带在滑动过程中的摆尾行为进行了系统研究。研究发现了两种不同的摆尾模式：不规律的小振幅摆动和规律的大振幅摆动（图2）。为探究石墨烯纳米条带上摩尔纹形貌与摆尾行为之间的关系，研究人员针对较窄和较宽的纳米条带上的摩尔纹分别进行分析，发现摆尾行为的驱动力源于石墨烯纳米条带滑动方向两侧边缘的峰-谷褶皱（图3和图4）。拥有对称形貌的条带几乎不受力，因此表现出不规律的小振幅摆动；反之，拥有非对称形貌的条带受力不平衡，因此表现出规律的大振幅摆动。通过对条带宽度的研究，发现摆尾行为随宽度周期性变化，且周期为两倍摩尔纹横向宽度。进一步研究表明，基底的变化（不同应变和旋转方向）与石墨烯手性并非是摆尾行为的驱动力来源，而主要由条带边缘峰-谷褶皱驱动。峰-谷褶皱只出现在条带边缘，是摆尾行为的驱动力来源，可视为“纳米千足虫”之足；摩尔纹出现在条带中间，几乎不影响摆尾行为，可视为“纳米千足虫”之体。“纳米千足虫”不仅形似千足虫，更在功能上相仿（图1和图5）。研究结果为边缘效应对石墨烯纳米条带的滑动形貌及摩擦行为给出了机制上的解释，可为其精确调控提供参考。

图2 滑动摆尾过程中石墨烯纳米条带——“纳米千足虫”的形貌与摩尔云纹

图3 较窄石墨烯纳米条带上摩尔纹与Y方向受力关系

  图4 较宽石墨烯纳米条带上摩尔纹与Y方向受力关系

      图5 由不同摩尔纹组成的“纳米千足虫”

复旦大学航空航天系博士生李睿扬为论文第一作者，复旦大学徐凡教授和法国巴黎萨克雷大学丛郁教授是论文的共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金委、上海市科委、上海市教委等资助。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03084