阐明石墨烯纳米带的剥离和滑动

最近发表在MDPI期刊《Materials》上的一篇论文研究了石墨烯纳米带（GNRs）在水平阻力下在金（Au）衬底上滑动和剥离的耦合行为。

研究：水平阻力下石墨烯纳米带滑动与剥离的竞争。图片来源：Shilova Ekaterina/Shutterstock.com

什么是GNRs？

GNRs是碳纳米材料的一种形式，近年来已经获得了相当大的关注。它们具有传统石墨烯优异的机械和物理性能，并由于其大纵横比而具有一定的独特性能。这些纳米材料广泛用于电极材料，生物传感和纳米电子学。

GNRs的剥离和滑动行为

由于其二维（2D）特性，GNR的几个关键特性与界面和表面有关。例如，Au基底/GNRs界面处的范德华相互作用被确定为Au基底上GNR滑动行为中超润滑的起源，而GNR在Au基板上的复杂剥离行为归因于GNRs/Au界面处的粘附和摩擦。

最近，基于有限元法和连续体模型研究了GNR滑动和剥离的动力学。尽管在操纵GNR的过程中会发生几种机械反应，但直到现在，这些机械反应之间的有趣相互作用尚未得到彻底理解。

计算模型示意图。GNR通过向连接到抬起侧的原子（蓝色）的虚拟原子施加速度vd来水平拖动，使用刚度klink=1.5 N / m的线性弹簧。在拖动过程中，提升高度Z0保持不变，我们记录了绿色原子的运动。© 李，R.，徐，F.（2022）

基于分子动力学（MD）的GNRs滑动/剥离行为模拟研究

在这项研究中，研究人员通过MD仿真研究了水平阻力下Au衬底上滑动和剥离GNR的复杂耦合行为，并获得了剥离和滑动行为的相图。

两个长度为20纳米和9.2纳米的GNR被指定为长GNR和短GNR，以确定提升高度，GNR长度和拖动速度对GNR变形和运动的影响。

通过以恒定的拖动速度在Au基板上拖动抬起的GNR侧来检查GNR的剥离和滑动。在MD仿真中，NGR的宽度固定在0.7纳米，而GNR的长度根据不同实验的要求在9.2纳米到20纳米之间变化。在模拟中，Au（111）表面被用作Au衬底，其中所有Au原子都是固定的。通过将提升的GNR侧的高度改变一到三纳米来研究提升高度对GNR机械行为的影响。

整个MD仿真分为拖动过程和提升过程。最初，GNR的一侧被提升到目标提升高度，然后在提升配置中保持在放松位置。在拖动过程中，使用虚拟原子以每秒0.1至0.5米的恒定拖动速度范围水平拖动抬起的GNR侧到GNR尾部的方向。

虚拟原子使用每米1.5牛顿的线性弹簧连接到抬起的GNR侧的原子。在拖动模拟过程中，提升高度保持不变，并记录了GNR尾部原子的运动。尾原子和虚原子的位移之间的比较用于量化剥离和滑动行为之间的区别。

研究成果

研究成功研究了GNR在水平阻力下的滑动和剥落行为。在滑动过程中，GNR的形状几乎保持不变，而在剥离过程中，配置发生了重大变化。剥离和滑动的运动可以根据时间序列分为阶段I和II。在第一阶段，GNR主运动仅限于提升部分的配置变化，而在第二阶段，在整个GNR中观察到运动和变形。

在第二阶段，所有GNR原子的位移等于虚拟原子在滑动过程中的位移，而所有原子的位移小于虚拟原子在剥离过程中的位移，这表明剥离和滑动行为之间的区别。

提升高度的上升将GNR行为从滑动变为剥落。由于GNR仅在基板上滑动，因此GNR的几何结构在GNR提升侧的水平拖动时保持不变，提升高度较小。然而，当提升高度变大时，在GNR中观察到剥落。这些观察结果表明，剥离/和滑动之间存在激烈的竞争。

随着拖动速度的增加，也观察到从滑动到剥离的快速过渡。具体而言，当拖动速度增加且提升高度保持在10埃以下时，GNR行为从滑动转变为剥落。

剥离行为在长GNR中更为普遍，因为长GNR可以在水平阻力下轻松剥离。长GNR中的主要剥离行为归因于这些GNR尾部阻力的影响较小，因为尾部与提升部分相距甚远。然而，在高度超过20埃时，没有观察到提升高度对剥离响应的影响。

由于Au底物/GNRs界面处的范德华吸收，随着拖动速度和GNR长度的增加，剥离行为变得更加突出。在剥落运动过程中，拖动速度和提升高度的上升对尾部原子运动的影响有限。在长GNR中也观察到类似的机制。剥落响应源于尾部原子由于滑动速度的降低而长时间下沉。

总而言之，本研究的结果提供了对不同GNR机械响应的机制和起源的深刻理解，这可以作为精确操作低维材料性质和制造纳米结构（如GNRs阵列）的指南。

参考

Li, R., Xu, F. (2022) Competition between Sliding and Peeling of Graphene Nanoribbons under Horizontal Drag. Materials. https://www.mdpi.com/1996-1944/15/9/3284/htm