清華新聞網(wǎng)8月16日電 孤立波（Solitary Wave）是在非線(xiàn)性系統(tǒng)中形成的獨(dú)特有序結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生是色散效應(yīng)和非線(xiàn)性效應(yīng)平衡的結(jié)果。孤立波最初是在流體中發(fā)現(xiàn)，它是否僅出現(xiàn)在流體中，這是歷史上一個(gè)重要而有趣的問(wèn)題。在過(guò)去的幾十年中，凝聚態(tài)物理、光纖光學(xué)和神經(jīng)動(dòng)力學(xué)等非流體系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)了孤立波或孤子（Soliton），這表明在非流體系統(tǒng)中也存在孤立波或孤子。當(dāng)流體與可變形固體相互作用時(shí)，已有理論研究表明在充滿(mǎn)流體的彈性管中，忽略高階項(xiàng)可以得到孤立波的數(shù)值解。但這種流固耦合（Fluid-Structure Interaction，F(xiàn)SI）體系中孤立波的形成與傳播還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道。
發(fā)生屈曲變形的固體薄膜是典型的非線(xiàn)性系統(tǒng)，由于界面混合模式斷裂導(dǎo)致的釘扎效應(yīng)，屈曲通常會(huì)采用尖端蔓延的傳播方式，形成直邊形、圓形、電話(huà)線(xiàn)、圓環(huán)形和網(wǎng)絡(luò)狀等形貌。薄膜-基底界面作用是影響薄膜屈曲變形的關(guān)鍵因素，特別是在二維范德華薄膜體系中，薄膜-基底界面的界面應(yīng)力、結(jié)合能、親疏水性等因素都會(huì)對(duì)其變形模式產(chǎn)生重要影響。當(dāng)界面與源自濕度、有機(jī)溶劑、泵油等形成的流體發(fā)生相互作用時(shí)，流體不僅會(huì)在固體薄膜中引發(fā)屈曲變形，還會(huì)影響屈曲變形的動(dòng)態(tài)傳播過(guò)程，從而引發(fā)新奇的薄膜變形行為。
近來(lái)，材料學(xué)院劉鍇副教授與航天航空學(xué)院李曉雁教授緊密合作，報(bào)道了由界面流固耦合效應(yīng)在MoS2薄膜中誘導(dǎo)產(chǎn)生的新型類(lèi)孤立波變形模式（Solitary-Wave-Like Blisters，SWLB）。該變形可以作為一個(gè)整體向前傳播（圖1h），并且表現(xiàn)出變形的三維尺寸逐漸增大的特征（圖2）。原位力學(xué)、紅外光譜和原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量證明，在高相對(duì)濕度下MoS2薄膜-基底界面會(huì)形成約3nm厚的納米水膜（圖3c）。該納米級(jí)厚度的水膜使得SWLB前端的薄膜會(huì)不斷從基底上脫層，同時(shí)后端由于界面納米水膜的毛細(xì)作用重新粘附在基底上，從而形成了不斷向前傳播的SWLB模式（圖3d）。基于體系能量變化的理論建?？梢院芎玫仡A(yù)測(cè)SWLB的三維輪廓膨脹和傳播行為（圖4e-f）。該工作在固體薄膜材料中發(fā)現(xiàn)了新奇的類(lèi)孤立波變形模式，揭示了納米限域的流固耦合效應(yīng)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)變形的重要影響，對(duì)二維薄膜材料的功能化應(yīng)用和失效機(jī)制研究具有非常重要的意義。
圖1.SWLB變形模式和普通屈曲模式的示意圖及形貌圖。（a-b）水中孤立波和普通水波的示意圖。（c-d）SWLB變形模式及其截面輪廓的示意圖，其中薄膜-基底界面存在脫層（Delamination）和重新粘附效應(yīng)（Re-adhesion）。(e-f）普通屈曲模式及其截面輪廓的示意圖，其擴(kuò)展尖端的薄膜-基底界面發(fā)生脫層（Delamination）。（g）SWLB和網(wǎng)絡(luò)狀屈曲的光學(xué)形貌偽彩圖，其中橙色是SWLB區(qū)域，而藍(lán)色是網(wǎng)絡(luò)狀屈曲區(qū)域。（h）單個(gè)SWLB傳播過(guò)程中的形貌變化
圖2.SWLB擴(kuò)展過(guò)程中的三維形貌變化。（a-f）傳播過(guò)程中不同時(shí)刻SWLB的三維輪廓圖，其中Rt是t時(shí)刻的瞬態(tài)曲率半徑，Rf是最終的終態(tài)曲率半徑。（g）不同時(shí)刻SWLB中心區(qū)域的截面輪廓，測(cè)量位置是圖（a-f）白色劃線(xiàn)區(qū)域。（h）SWLB的瞬態(tài)高度δt、瞬態(tài)半寬度bt和瞬態(tài)曲率半徑Rt之間的關(guān)系。（i）終態(tài)曲率半徑Rf的統(tǒng)計(jì)分布以及斷裂鼓泡比例隨終態(tài)半徑Rf的變化規(guī)律
圖3.濕度及界面納米水膜在SWLB形成中的作用。（a）不同濕度下原位力學(xué)測(cè)試得到的拉力-位移曲線(xiàn)。（b）高濕度(~80% RH)下ATR-FTIR測(cè)得的吸光度曲線(xiàn)，證明MoS2/Sapphire在高濕度下存在界面水膜。（c）AFM測(cè)得的在干燥和高濕度條件下MoS2薄膜的高度輪廓，?t為高度變化量，即為估算的界面水膜厚度。（d）由濕度驅(qū)動(dòng)的SWLB的機(jī)理示意圖，插圖展示了由SWLB后端界面納米水膜的毛細(xì)作用所引起的重新粘附效應(yīng)（Re-adhesion）。（e）SWLB與其他屈曲模式的對(duì)比，其中Gc是界面能，σr是薄膜中的殘余應(yīng)力，t是薄膜厚度，Pre=1表示存在重新粘附過(guò)程，Pre=0表示不存在重新粘附過(guò)程
圖4.界面作用的分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬和SWLB的理論建模。（a）MD模擬所采用的原子模型。（b-c）MD模擬得到的MoS2/Sapphire和MoS2/H2O/Sapphire體系的拉力-位移曲線(xiàn)。（d）SWLB理論模型的示意圖，其中S1為已傳播區(qū)域，S2為鼓泡區(qū)域，S3為未傳播區(qū)域。（e）根據(jù)理論模型計(jì)算得到的不同截面輪廓下SWLB總能量與其曲率半徑的關(guān)系。（f）理論模型預(yù)測(cè)得到的不同截面輪廓SWLB的終態(tài)平衡位置
相關(guān)成果以“MoS2薄膜中由納米水膜驅(qū)動(dòng)的類(lèi)孤立波鼓泡變形”（Water nanolayer facilitated solitary-wave-like blisters in MoS2thin films）為題，近日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際著名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
清華大學(xué)材料學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生王恩澤、航天航空學(xué)院2021屆博士畢業(yè)生熊紫辛為論文的共同第一作者。清華大學(xué)劉鍇副教授、航天航空學(xué)院李曉雁教授為論文的共同通訊作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目和面上項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40020-7
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
