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你不知道的石墨烯:可改变的泊松比和受拉收缩的异常行为

2018-05-04 来源:互联网

    近日,俄罗斯朗道理论物理研究所(ITF)的科学家们发现石墨烯的泊松比可通过改变外加拉力控制。他们发现石墨烯受到很大的拉应力时,会像普通材料一样泊松比为正值。然而随着拉应力减小,石墨烯就开始呈现出拉胀材料的特性,表现出负的泊松值。
    同时他们还证明了石墨烯并非一般意义上平坦的二维结构,而是呈褶皱状,表面的存在一定类似于拉伸压缩的波动,它们和表面的褶皱会发生非线性作用,妨碍石墨烯收缩成球。所以严格说来,石墨烯其实算不得二维晶体,它应该是处于二维和三维之间的中间态。
    石墨烯泊松比值变化的根本原因是因为在外加拉力下,石墨烯表面固有的拉压波动会和外应力造成的滑动作用产生一个竞争作用。当外应力较高,则拉胀行为被抑制,泊松比表现为正值,当外应力减小,则石墨烯表面褶皱产生的拉压波动起主导作用,使泊松比变负值,这就是泊松比符号发生变化的原因。
    在石墨烯横向弯曲波的褶皱中存储了额外的能量,这是石墨烯表现出异常弹性和其他特殊性质的原因。这也就解释了石墨烯受热为什么会纵向收缩,因为它的横向褶皱处发生了折叠,所以表现出和大部分材料都不同的收缩行为。因此研究人员认为那个能够解释石墨烯行为的普遍特征就是泊松比。
    更有意义的是,目前的成果也解释了为什么以前对石墨烯泊松比的研究会有矛盾。通过计算,研究人员们得到了一个分析完整石墨烯薄片的弹性平衡方程组,结果表明石墨烯薄膜有两种行为模式:通常情况下,石墨烯的所有性质由标准值确定,算得泊松比是正值。与此同时,对于比所谓的金兹堡长度(对于石墨烯,金兹堡的长度范围是从40到70埃)大的样本,拉胀行为出现,计算得到负泊松比。
    这种现象的解释也与不同类型的波相关,这些波以非常复杂的方式相互作用。金兹堡长度表征了这些相互作用不再被忽略的尺度,在这个尺度上它们开始使材料出现异常行为,比如这种大规模的相互作用阻碍二维晶体收缩成球。不同的物质具有不同的金兹堡长度,知道它们的具体范围对新材料的开发极其重要。
    网址: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-04/arsc-gce041818.php