2014年12月18日,，清華大學航天航空學院工程力學系,、清華大學微納米力學中心的徐志平研究組在《美國化學學會－納米》（ACS Nano）期刊在線發(fā)表題為《含缺陷石墨烯的力學：拓撲和幾何效應》的研究論文，揭示了含有拓撲缺陷的石墨烯在力學載荷下的行為,，并指出其在整體和局部力學載荷下的響應并不等同,，甚至迥異。這一發(fā)現(xiàn)為低維材料的力學表征以及利用缺陷對低維材料特性進行調(diào)控提供了新的理解和設計參考,。該論文第一作者為清華大學微納米力學中心2014級博士生宋智功,，共同作者還包括美國萊斯大學的Boris I. Yakobson教授等合作者。
石墨烯作為單原子層厚度的二維材料,，具有獨特的機械,、電、光等性質(zhì),。與三維體相材料相比,，空位、摻雜,、位錯等缺陷對于二維材料性質(zhì)的影響更為顯著,。受到單晶石墨實驗制備手段的限制，石墨烯晶粒尺度大小目前最高僅可達到厘米量級,，因此宏觀尺度的石墨烯連續(xù)薄膜往往有著多晶的微觀結構,。由于不同晶粒取向之間的差異，在晶界處存在著大量的拓撲缺陷，這類缺陷結構的出現(xiàn)將改變材料的性能和對外場的響應,，如會影響材料的機械剛度,、強度特性，引起對電子,、聲子輸運的散射等,。隨著晶粒尺度的增加，即相同尺寸樣品中缺陷濃度的下降,，拓撲缺陷對電子,、聲子散射和機械剛度的影響會相對地減弱，而材料的強度由于取決于材料中最薄弱的部位,，仍然會對缺陷的存在而敏感,。
在這項發(fā)表于《美國化學學會－納米》的工作中，徐志平研究組研究了含拓撲缺陷石墨烯在局部和整體力學載荷作用下的力學響應,，發(fā)現(xiàn)了缺陷的拓撲和幾何效應,。多晶石墨烯晶界處存在大量的五、七邊形,，其配對可看作石墨烯晶體中的刃位錯,。位錯的堆積將引起與其堆積長度成對數(shù)關系的應力累積，從而在力學載荷下體現(xiàn)出隨晶粒增大而材料強度降低的贗Hall-Petch關系等拓撲效應,。此外,，拓撲缺陷的存在會使得石墨烯偏離平面構型，出現(xiàn)離面的幾何變形,。例如,，含有孤立五、七邊形缺陷的石墨烯將分別變形成為具有正高斯曲率的錐形和負高斯曲率的馬鞍形,。由于對二維材料進行面內(nèi)拉伸等整體力學加載技術難度較大,，石墨烯力學特性的實驗測試目前主要采用納米壓痕技術，通過壓力和壓入深入的關系推測材料的面內(nèi)力學特性,。這項研究發(fā)現(xiàn)拓撲缺陷的幾何效應使得其力學特性難以通過此類局部探測技術進行表征－壓痕所測得等效剛度,、強度與離面變形的幅度相關，對于特殊的缺陷構型甚至會出現(xiàn)測量所得剛度,、強度等力學性能要優(yōu)于單晶石墨烯的假象,，而這與面內(nèi)拉伸等整體載荷作用下材料因缺陷而減弱的響應是不一致的。因此針對基于石墨烯的納米機械器件與材料的應用,，必須同時對缺陷引起的拓撲與幾何效應進行考慮,。
