刘锴、李晓雁在MoS2薄膜类孤立波变形和传播研究上取得重要进展

fanggou

孤立波（Solitary Wave）是在非线性系统中形成的独特有序结构，其产生是色散效应和非线性效应平衡的结果。孤立波最初是在流体中发现，它是否仅出现在流体中，这是历史上一个重要而有趣的问题。在过去的几十年中，凝聚态物理、光纤光学和神经动力学等非流体系统中也发现了孤立波或孤子（Soliton），这表明在非流体系统中也存在孤立波或孤子。当流体与可变形固体相互作用时，已有理论研究表明在充满流体的弹性管中，忽略高阶项可以得到孤立波的数值解。但这种流固耦合（Fluid-Structure Interaction，FSI）体系中孤立波的形成与传播还没有实验研究报道。
          发生屈曲变形的固体薄膜是典型的非线性系统，由于界面混合模式断裂导致的钉扎效应，屈曲通常会采用尖端蔓延的传播方式，形成直边形、圆形、电话线、圆环形和网络状等形貌。薄膜-基底界面作用是影响薄膜屈曲变形的关键因素，特别是在二维范德华薄膜体系中，薄膜-基底界面的界面应力、结合能、亲疏水性等因素都会对其变形模式产生重要影响。当界面与源自湿度、有机溶剂、泵油等形成的流体发生相互作用时，流体不仅会在固体薄膜中引发屈曲变形，还会影响屈曲变形的动态传播过程，从而引发新奇的薄膜变形行为。
        近来，材料学院刘锴副教授与航天航空学院李晓雁教授紧密合作，报道了由界面流固耦合效应在MoS2薄膜中诱导产生的新型类孤立波变形模式（Solitary-Wave-Like Blisters，SWLB）。该变形可以作为一个整体向前传播（图1h），并且表现出变形的三维尺寸逐渐增大的特征。原位力学、红外光谱和原子力显微镜（AFM）测量证明，在高相对湿度下MoS2薄膜-基底界面会形成约3nm厚的纳米水膜。该纳米级厚度的水膜使得SWLB前端的薄膜会不断从基底上脱层，同时后端由于界面纳米水膜的毛细作用重新粘附在基底上，从而形成了不断向前传播的SWLB模式。基于体系能量变化的理论建模可以很好地预测SWLB的三维轮廓膨胀和传播行为。该工作在固体薄膜材料中发现了新奇的类孤立波变形模式，揭示了纳米限域的流固耦合效应对薄膜结构变形的重要影响，对二维薄膜材料的功能化应用和失效机制研究具有非常重要的意义。

图1.SWLB变形模式和普通屈曲模式的示意图及形貌图。（a-b）水中孤立波和普通水波的示意图。（c-d）SWLB变形模式及其截面轮廓的示意图，其中薄膜-基底界面存在脱层（Delamination）和重新粘附效应（Re-adhesion）。(e-f）普通屈曲模式及其截面轮廓的示意图，其扩展尖端的薄膜-基底界面发生脱层（Delamination）。（g）SWLB和网络状屈曲的光学形貌伪彩图，其中橙色是SWLB区域，而蓝色是网络状屈曲区域。（h）单个SWLB传播过程中的形貌变化

        相关成果以“MoS2薄膜中由纳米水膜驱动的类孤立波鼓泡变形”（Water nanolayer facilitated solitary-wave-like blisters in MoS2thin films）为题，近日在线发表在国际著名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。
        清华大学材料学院2022届博士毕业生王恩泽、航天航空学院2021届博士毕业生熊紫辛为论文的共同第一作者。清华大学刘锴副教授、航天航空学院李晓雁教授为论文的共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会基础科学中心项目和面上项目等的支持。
        论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40020-7
         文章来源：清华大学
       刘锴,清华大学副教授。2008年在清华大学物理系获得博士学位，2008年-2011年在清华大学化学系从事博士后研究，2011年-2015年在美国劳伦斯伯克利国家实验室材料学部从事博士后研究，2015年回到清华大学材料学院担任副教授。至今已在Science、Nature Commun.、Adv. Mater.、Nano Lett.、Appl. Phys. Rev.等期刊上发表学术论文近60篇（第一/通讯作者23篇），获得授权美国专利30余项，中国专利50余项。刘锴博士是Nature Commun.、Adv. Mater.、Adv. Func. Mater.、ACS Nano、Small等期刊审稿人。