【研究进展】Carbon：石墨烯纳米带滑动行为的力学机制研究

研究亮点

1、构建基于Euler–Bernoulli梁单元的有限元模型，系统研究石墨烯纳米带（GNR）在石墨烯基底上的滑动行为，揭示边界条件对其滑移与应变传递的调控机制。

2、发现GNR长度对滑动行为具有决定性影响：当长度超过临界值（L_e ≈ 14 nm）时，应变传递效率显著下降，滑动进入能量耗散主导阶段。

3、首次提出两个关键尺度参数：L_d ≈ 10 nm（非耗散→耗散转变）与 L_s ≈ 17 nm（拉力饱和），为二维材料界面稳定性与摩擦调控提供理论依据。

研究背景

二维材料（如石墨烯）因其优异的力学与摩擦性能，广泛应用于柔性电子、纳米机械系统（NEMS）与纳米复合材料中。其层间通过范德华力相互作用，具备低摩擦、高面内刚度等特性，易于发生层间滑动。然而，在实际应用中，如何实现稳定的应变传递与可控滑移仍是关键挑战。

尽管已有研究通过原子模拟揭示GNR滑动行为，但其计算成本高、尺寸受限，难以系统探讨边界条件、尺寸效应与动态行为。因此，构建兼具精度与效率的连续介质模型，成为理解GNR界面力学行为的关键路径。

研究思路

本文提出一种基于Euler–Bernoulli梁的有限元（FE）模型，结合分子动力学（MD）校准，系统研究GNR在石墨烯基底上的滑动行为。模型考虑三种边界条件（BC1-BC3），分析静态与动态加载下滑动响应、应变传递效率与能量演化过程。通过模拟不同长度、方向（armchair/zigzag）与边界条件下的GNR滑动行为，识别关键尺度参数，揭示滑动稳定性、能量耗散机制与应变饱和行为，并与MD结果对比验证模型的可靠性与适用性。

主要结论

1、FE模型与MD模拟结果高度一致，误差控制在10%以内，验证了模型在捕捉GNR滑动行为方面的准确性。

2、GNR长度对滑动行为具有显著影响：当 L < 10 nm，滑动为非耗散型，界面保持稳定；当 L ≥ 10 nm，滑动进入能量耗散主导阶段，出现滑移失稳；当 L ≥ 17 nm，拉力趋于饱和，界面剪切强度不再随长度增加而提升。

3、应变传递行为呈现非线性特征：当应变小于临界值 εc（≈1.1%），应变线性传递；超过 ε_c 后，出现局部失配区，应变传递效率骤降；εc 随GNR长度增加而趋于饱和，最大传递应变上限为1.15%（BC1）与0.59%（BC3）。

4、边界条件显著影响滑动路径与能量演化：BC1（完全约束）下，滑动路径受限，摩擦力最大；BC3（自由边界）下，GNR呈现蛇形滑移，摩擦力降低50%，滑动波长减半。

5、模型具备良好的扩展性，适用于其他二维材料界面系统，为柔性电子器件、纳米摩擦学与应变传感器设计提供理论支撑。

结语

本研究通过构建高效、准确的有限元模型，系统揭示了石墨烯纳米带在基底滑动过程中的尺度效应、边界条件敏感性与能量耗散机制。提出的关键尺度参数（L_d、L_s、L_e）为二维材料界面力学行为提供了新的理解框架。未来研究可进一步拓展至多材料异质结构、热-力耦合与AI辅助建模方向，推动二维材料在纳米工程中的实际应用。

第一作者和单位

Gourav Yadav，印度理工学院坎普尔分校机械工程系，UP 208016，印度

通讯作者和单位

Roger A. Sauer，德国波鸿鲁尔大学结构力学研究所，44801 波鸿，德国

Shakti S. Gupta，印度理工学院坎普尔分校机械工程系，UP 208016，印度

文章标题：Investigating the sliding behavior of graphene nanoribbons

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.121056