Графен частично экранирует силы Ван-дер-Ваальса в зависимости от толщины

Исследователи из Пекинского университета, Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики и Университета Цинхуа обнаружили, что графеновые слои в двумерных системах экранируют от 15% до 50% сил Ван-дер-Ваальса, причем степень экранирования зависит от толщины материала.

СЭМ-изображение показывает, как графен приближается к графеновой мембране над полостью. Авторы: Чуаньли Юй и Чжаохэ Дай, Пекинский университет.

Силы Ван-дер-Ваальса — это слабые силы притяжения между молекулами или поверхностями, возникающие из-за флуктуирующих электрических зарядов. Определение степени их экранирования атомарно тонкими материалами имеет важное значение для разработки технологий на основе 2D-материалов.

«Наше исследование было вдохновлено дискуссией о «смачиваемой прозрачности» графена, — рассказал Чжаохэ Дай, старший автор статьи. — Сообщество постепенно осознало, что в основе этой проблемы лежит более фундаментальный вопрос: как одноатомное покрытие изменяет поверхностную энергию подложки?»

Схематическое изображение коллоидного зонда, приближающегося и отделяющегося от подвешенного и лежащего на подложке графена. Авторы: Чуаньли Юй и Чжаохэ Дай, Пекинский университет.

Исследователи использовали технику коллоидной атомно-силовой микроскопии (АСМ). Они прикрепили микрометровую кремниевую сферу к концу кантилевера и приближали этот калиброванный зонд к тестовой поверхности в условиях сверхнизкой влажности (ниже 10%), что предотвращало вмешательство молекул воды в измерения.

Ученые изучали два типа образцов: графен на кремниевой подложке и графен, подвешенный над небольшими круглыми полостями. Они провели два типа измерений: тесты на отрыв (измерение силы, необходимой для отделения сферы от поверхности) и тесты на втягивание (мониторинг усиления силы притяжения по мере уменьшения зазора).

«Самый важный вывод заключается в том, что прозрачность графена для взаимодействия Ван-дер-Ваальса — не фиксированное число, а зависит от того, насколько далеко друг от друга находятся две взаимодействующие поверхности и насколько толстой является графеновая пленка», — пояснил Дай.

Например, когда подложка, покрытая одним слоем графена, взаимодействует с другой поверхностью через зазор около 5 нанометров, графен все еще «пропускает» примерно 85% силы Ван-дер-Ваальса от подложки.

Это исследование предоставляет последовательную теоретическую и экспериментальную основу для изучения сил Ван-дер-Ваальса в 2D-материалах и открывает возможности для создания покрытий с атомарной точностью для настройки поверхностных свойств, таких как адгезия.

«Имея количественное понимание прозрачности Ван-дер-Ваальса, мы планируем создавать поверхности кремнезема с заданными свойствами через атомарные покрытия», — добавил Дай.