基于先进二维功能材料的机械表/界面多场耦合调控与功能化

Based on the ability of fabricating large-area and high-quality advanced two-dimensional (2D) crystals (graphene, MoS2 and hexagonal boron nitride), this research proposal is to investigate the nano-tribology performance of 2D crystals covered mechanical surface as well as its multi-field coupling properties, e.g. mechanical-electric, flow-electric, mechnial-electric-magnetic couplings and corresponding functional devices. By developing distinguishing 2D crystal covered or modified surfaces, we will explore new routes and techniques which can introduce the unique low dimensional properties into macro-scale system. Through systematic surface/interface mechanical analyses and modeling of the mechanic behavior of 2D crystals as well as extensive continuum and quantum mechanics computational research of the mechanical behavior in 2D crystal modified surface (e.g. mechanical-electric and flow-electric couplings), we will improve the physical-mechanics theory of 2D crystal surface systems which is the theoretical basis of further experimental developments. We will further investigate the mechanical and physical behavior of 2D crystal surfaces in complicated fields or solution environment, and find new 2D structures and working mechanism to inspire novel surface devices and energy conversion sources/sensors. With these advanced experiments and theoretical methods, this project is aimed to reveal important scientific findings on the physical-mechanics of 2D crystal-coated surface under multi-field environments.

在项目组大面积高质量制备石墨烯、氮化硼、二硫化钼等先进二维材料及长期表界面纳米摩擦和力-电-热-磁多场耦合研究的基础上，针对将先进二维材料与机械结构表面结合形成的特殊表面和界面，开展表/界面摩擦学性能调控与多场耦合功能器件原理研究。研究先进二维材料覆层的可控制备技术，发挥二维晶体对表面摩擦性能的巨大调制作用，同时获得耐高温、抗氧化、抗腐蚀等防护性能，将低维材料特有的特性引伸到宏观尺度；发展二维材料对结构表面电学、光学、热学等性能的功能性调控方法，建立受限表界面纳米体系中新的力-电-光-磁-流多场耦合方法，发展新型机械结构表面监测和控制器件；实验结合大规模计算模拟澄清现有低维表/界面理论描述的矛盾，建立可预测多场作用下二维表界面系统机械性能与物理行为的理论和方法。项目将为新型可调控多功能表面的实现提供先进的物理力学基础，做出在国际上有重要影响的原创性研究成果。

本项目开展以来，(1) 在二维材料覆层制备和质量控制方面，系统发展了大面积石墨烯、六方氮化硼、单层硫化钼、双层硒化钨等二维材料覆层的制备和质量优化方法，获得了一系列自主专利技术；(2) 在先进二维材料覆层的功能性方面,深入开展了二维类石墨烯覆层对各种机械表界面的摩擦、磨损、高温腐蚀等性能的机电耦合调控；细致探索了二维材料与金属、二维材料与硅/锗半导体、二维材料同质结叠层/异质结叠层的层间耦合作用及其对光学、电学等性能的调控；揭示了二维材料层间或界面受限空间下水分子层的摩擦特性和结构特性等；(3)特别是在二维材料覆层的表界面流电耦合研究方面，系统研究了气-液-固多相界面下石墨烯、炭黑、氧化锌等多种低维材料界面的生电现象，基于纳米碳材料通过与各种形式的水相互作用而持续输出电能的现象提出“水伏效应”概念，这系列突破进展在本项目期间已被国际学术界迅速接受并称之为“水伏学”研究领域；(4) 在物理力学基础理论和方法方面，结合量子力学和分子动力学拓展了“理论-模拟-实验”方法，发展了新的范德华界面层间作用理论，通过机器学习预测了多种新型二维材料结构及其机-电-光-磁耦合性能，建立了固体表面纳米尺度水的润湿性-温度相图，提出了多种水伏现象发生机制。总体上，项目计划的研究内容均得到了系统的探索，在此基础上发现了一系列新现象，建立了多种新概念、新理论，全面超额完成了研究计划。