一维纳米材料与基底之间吸附能的定量测量及其机理研究

One-dimensional nanomaterials (1DNMs) have been served as the fundamental building blocks for fabricating various micro/nano-scaled devices, due to their unique physical and chemical properties. Surface adhesion of 1DNMs not only plays an important role on their preparation, assembly, manipulation and applications, but also provides an ideal model system for the fundamental research of surface physics and surface chemistry. However, due to the difficulties originated from the measurement, it is a significant challenge to accurate characterize this surface force at the one-dimensional interface, and thus is quite hard to understand the underlying origins. In this project, the following research points will be included: to establish an optical nano-peel-off test for accurately measuring the adhesion between individual 1DNMs and substrates, to investigate the dependence of the adhesion between 1DNMs and substrates on the interfacial properties (materials, sizes, roughness and aging) and the testing conditions (temperature and humidity), to establish the dependence of the one-dimensional adhesion on the origins, such as van der Waals force, capillary and electrostatic force, and so on. The project is not only quite important for understanding the underlying mechanisms for the significant differences of the adhesion between 1DNMs and bulk materials, and also for designing micro/nano-scaled devices and tuning the surface forces of nanostructures.

一维纳米材料因优异的理化性能而成为构建各种微/纳功能器件的基本单元。一维纳米材料的表面吸附，不但在一维纳米材料的合成、组装、操纵和应用等多个环节中扮演着十分重要的角色，而且也为表面物理和表面化学等基础学科的研究提供了一个理想的模型系统。然而，由于技术上的困难，人们很难准确表征出这种一维界面上的吸附能，因此也就无法深入探究和理解其起源机制。本项目中，我们拟开展如下研究：建立光学纳米剥离方法，定量测量单根一维纳米材料与基底之间的吸附能；探究单根一维纳米材料的吸附能与接触基底的界面特性（材质、尺寸、粗糙度和陈化时间）和测试条件（温度和湿度）的定量依赖关系；探究一维界面上的吸附能与范德华力、毛细力和静电力等物理起源之间的定量关系。该项研究的实施，不仅有助于人们深入理解和解释一维纳米材料与宏观材料的表面吸附能之间存在的巨大差异，而且对微/纳功能器件的设计和纳米结构的表面作用力调控具有重要的现实意义。

一维纳米材料是制作微/纳机电系统和新型光电器件的主要功能部件。一维纳米材料与基底之间的界面吸附，不但在其制备、转移、组装和应用中扮演着极其重要的角色，而且也为表面和界面问题的基础理论研究提供了一个理想的模型系统。然而，由于尚未建立起行之有效的实验方法，人们很难准确表征和理解这类特殊的界面吸附行为。本项目中，我们建立和完善了一种能在大气环境中对单个一维纳米材料进行可视化操纵的新技术—“光学显微镜纳米操纵技术”，并通过这项新技术系统表征了单个一维纳米材料与基底之间的界面作用力，同时也深入探究了其物理机制。本项目的主要研究内容包括：(1) 合成了TaC、SiC、Al2O3、Sb2O3、ZnWO4、ZnO和ZnS等多种一维纳米材料并对其力学性能进行了系统表征；(2) 通过对比测试发现ZnO纳米线与Si基底在电子束辐照条件下的界面黏附能（1.09±0.33 J/m−2）比大气环境下（51.1±31.9 mJ/m−2）要高一个数量级；(3) 测定云母纳米片与云母基底之间的黏附能在大气环境下为221.5 ± 25.4 mJ/m-2，并随温度（25~300 oC）和湿度（10%~90%）升高而下降；(4) 测定云母纳米片与Si基底之间的界面黏附能为119.69 ± 20.47 mJ/m–2，且随温度（25~300 oC）升高而增大，但在80%的湿度下基本保持不变，并通过分子动力学模拟深入研究了环境温度和湿度对黏附能的影响；(5) 对比测试了ZnO和SiC纳米线与SiO2、SiN、石墨和云母等不同基底之间的侧向黏附力，并定量分析了纳米线/基底的材质组合和粗糙度对侧向摩擦力的影响。该项研究结果，不仅能为一维纳米材料和宏观材料的表面黏附能（力）之间存在的巨大差异，以及一些动植物的某些奇特表面吸附现象提供了定量的物理解释，而且也为仿生表面黏附材料和具有自清洁功能的智能表面材料的设计和制造提供重要的理论和实验指导。