2016年6月期刊俱乐部主题:二维材料:当前与未来方向

自2004年发现石墨烯以来，二维(2D)材料得到了广泛的研究。机械师对各种二维材料(石墨烯、二硫化钼和其他过渡金属二硫族化合物、黑磷和其他单硫族化合物)的最初研究主要集中在理想强度和适当的弯曲模量计算方法等问题上。万博体育平台2015年3月，张sulin在J-Club上回顾了其中的一些问题(http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/17999）.这是一个很好的j俱乐部，专注于二维膜，包括晶体膜和生物膜。

对于这个j俱乐部，我希望把讨论的重点完全放在晶体二维材料上。特别是，我希望通过下面的当代例子来说明机械师是如何为这一领域做出贡献的，这可能会激发关于我们的社区如何在未来继续贡献和推进这一领域的讨论。万博体育平台

增韧/强化/机械性能增强

石墨烯的一个紧迫的机械问题是它很脆，在屈服点之外几乎没有韧性。最近一种显著提高其韧性的方法是将拓扑缺陷(如位错和位错)与曲率结合起来:http://appliedmechanics.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2208390，http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509614000386，http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431614000182）

其他研究人员已经通过不同形式的图案成功地显著提高了石墨烯的可拉伸性。例如切割，或kirigami

（http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.90.245437)，或者以纳米网格模式引入大规模空隙（http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/104/17/10.1063/1.4874337）.

除了寻找现有机械性能缺陷的工程解决方案外，还存在许多机会来发现和解释可能固有于2D材料的新型机械行为和性能。例子包括单层黑磷(http://www.nature.com/ncomms/2014/140818/ncomms5727/full/ncomms5727.html)和石墨烯纳米带(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b00311)，以及新的缺陷机制，如涟漪(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl5045082)、晶界工程(http://www.nature.com/nmat/journal/v11/n9/abs/nmat3370.html)和非线性力学行为(http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.87.035423）.

应变工程

另一个最近引起人们极大兴趣的领域是弹性应变工程，即利用机械应变来调整或增强材料的物理性能。例子包括导热系数(http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.81.245318和http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-4484/22/10/105705/meta)、机电(http://science.sciencemag.org/content/336/6088/1557.full和http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn301320r)，光电和光伏的带隙调谐(http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n12/abs/nphoton.2012.285.html)，以及光学(http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.87.155304）.

在这些涉及应变的领域中，一个有前途的途径是在石墨烯中产生伪磁场，这是由于应变梯度而产生的，并导致实验测量的伪磁场(http://science.sciencemag.org/content/329/5991/544)，并从理论上预测接近数百特斯拉，这比地球磁场大得多，地球磁场的量级为10-6特斯拉。最近，力学洞察力被用来提出一种在石墨烯中产生恒定假磁场的可行方法。http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.245501）.

附着力/摩擦

力学研究人员也为理解二维材料和衬底之间的相互作用(以粘附和摩擦的形式)做出了重大贡献，因为大多数涉及二维材料的应用都涉及某种衬底。相关的问题是基材的粗糙度（http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/107/12/10.1063/1.3437642)及形态(http://iopscience.iop.org/0022-3727/43/7/075303)，二维材料的滑动行为（http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201301999/abstract和http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl4007112)，以及石墨烯在衬底上的超强附着力的实验测量（http://www.nature.com/nnano/journal/v6/n9/abs/nnano.2011.123.html）

石墨烯异质结构是一个特别相关的领域，其中具有新特性的二维复合材料是通过将不同的二维材料堆叠在一起制成的，即。http://www.nature.com/nature/journal/v499/n7459/full/nature12385.html）.

计算方法

二维材料在物理上是惊人的，力学、几何和电子结构之间有着复杂的关系。正是由于这个原因，超越分子动力学使用的新颖计算方法可能是该领域的一条有趣的前进道路。例如，分子动力学的耦合、紧密结合的电子结构计算和Landauer-Buttiker输运方法，使得更大规模(即数万个原子)石墨烯结构的机电行为研究变得有趣，如下图所示(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl400872q)及此处(https://arxiv.org/abs/1604.02697）.该领域的进一步发展将为力学家打开新的大门，使他们能够在标准分子动力学、DFT或从头算技术所不能达到的长度和时间尺度上研究万博体育平台二维结构。

结论

这个j俱乐部的目的是给当代问题的一个快照在2D材料的力学。显然，还有许多领域没有在这里提及，即使不是更有希望，也可能同样有希望。例如，石墨烯和其他二维材料与液体或生物系统相互作用的力学没有被涵盖。我希望听到这个领域的其他人的想法和意见，关于机制在未来可以发挥作用的领域和问题。