國家自然科學(xué)獎(jiǎng)推薦書-中科院力學(xué)所

1、一、提名工程：典型二維材料的力學(xué)行為二、提名專家：鄭哲敏國家最高科技獎(jiǎng)獲得者,中國科學(xué)院力學(xué)研究所,院士,力學(xué)三、提名意見該工程以典型二維材料石墨烯為研究對(duì)象,采用連續(xù)介質(zhì)理論方法,結(jié)合第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算,深入系統(tǒng)地研究了二維材料中的典型缺陷、強(qiáng)度特征、關(guān)鍵彎曲參數(shù)、斷裂失效規(guī)律、細(xì)胞毒性等力學(xué)行為.首次給出了描述二維材料中典型5-7環(huán)晶體缺陷應(yīng)力場的理論表達(dá)式,針對(duì)多晶石墨烯中晶界由5-7環(huán)構(gòu)成的特點(diǎn),給出了晶界角度與石墨烯強(qiáng)度的理論關(guān)系；首次給出石墨烯的高斯彎曲剛度系數(shù)；揭示了傳統(tǒng)格林菲斯斷裂理論在10納米以下尺度的適用特征；提出石墨烯侵入細(xì)胞膜的毒性機(jī)理.這些科學(xué)問題的提出與解決

2、促進(jìn)了固體力學(xué)和相關(guān)交叉學(xué)科的開展,為二維材料的實(shí)際應(yīng)用提供了科學(xué)理論引導(dǎo).該工程8篇代表性論文發(fā)表在固體力學(xué)和物理學(xué)頂級(jí)期刊NatureMaterial、NanoLetters、JMPS,共被Science>Chem.Soc.Rev.、NatureNanotech.等權(quán)威SCI學(xué)術(shù)刊物他人引用556次,引用者包括國內(nèi)外院士、相關(guān)領(lǐng)域知名學(xué)者等.該工程工作獲得了國內(nèi)外學(xué)術(shù)科研領(lǐng)域的積極引用和高度認(rèn)可.提名該工程為國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng).四、工程簡介該工程針對(duì)二維材料微結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)行為關(guān)聯(lián)這一科學(xué)問題開展研究,以石墨烯等為典型研究對(duì)象,通過理論分析并結(jié)合第一性原理計(jì)算,解析了二維材料中5-

3、7環(huán)典型缺陷的應(yīng)力場,計(jì)算給出單層石墨烯的關(guān)鍵彎曲參數(shù),探索了二維材料的斷裂失效和晶界方向、裂紋長度的關(guān)聯(lián)機(jī)制等,主要科學(xué)發(fā)現(xiàn)包括以下四個(gè)方面.1提出二維材料中5-7環(huán)缺陷的力學(xué)問題并首次給出該類缺陷彈性場的理論解.正確理解二維多晶材料的力學(xué)性能,首先需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：1構(gòu)成品界的典型缺陷5-7環(huán)的應(yīng)力場,2多個(gè)5-7環(huán)組成的晶界對(duì)石墨烯強(qiáng)度的影響.本工程通過連續(xù)介質(zhì)理論分析,并結(jié)合原子尺度計(jì)算驗(yàn)證,首次給出了二維晶體中根本缺陷5-7環(huán)應(yīng)力場的理論表達(dá)式,并導(dǎo)出了典型晶界中5-7環(huán)所形成的預(yù)應(yīng)力與晶界角度的理論關(guān)系,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)石墨烯的強(qiáng)度不僅依賴于晶界角度、缺陷密度,也與缺陷的具體構(gòu)型密切相

4、關(guān).該工作首次提出5-7環(huán)缺陷對(duì)二維材料的力學(xué)性能的影響等同于位錯(cuò)對(duì)三維晶體材料力學(xué)行為的影響,為描述二維晶體結(jié)構(gòu)中典型缺陷的相互作用提供了根本方法.2首次給出石墨烯的關(guān)鍵彎曲參數(shù).離面變形是二維材料在熱、力作用下的典型力學(xué)行為,這一變形過程由兩個(gè)關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)“彎曲剛度和高斯彎曲剛度限制.本工程依據(jù)富勒烯和單壁納米碳管“薄膜構(gòu)型能量與薄膜曲率的關(guān)系,并結(jié)合Helfrich哈密頓量與第一性原理計(jì)算,準(zhǔn)確給出了單層石墨烯的彎曲剛度和高斯彎曲系數(shù).此新方法可以推廣應(yīng)用到獲取其它二維材料的彎曲剛度和高斯彎曲系數(shù).3揭示格林菲斯斷裂理論對(duì)微納尺度材料的適用特征.本工程通過原子模擬與理論分析發(fā)現(xiàn)：利用格林

5、菲斯理論預(yù)測石墨烯強(qiáng)度時(shí),存在一個(gè)臨界裂紋長度,當(dāng)長度小于10納米量級(jí)時(shí),理論預(yù)測強(qiáng)度與計(jì)算強(qiáng)度出現(xiàn)明顯差異.這一現(xiàn)象源自短裂紋中裂紋尖原子間的非線性相互作用、裂紋尖原子排列導(dǎo)致強(qiáng)度上的各向異性等因素.這一工作對(duì)基于石墨烯的微系統(tǒng)和增強(qiáng)復(fù)合材料的可靠性及強(qiáng)度預(yù)測有重要意義.4揭示石墨烯與基體間的相互作用規(guī)律.單原子厚的膜與基底的相互作用呈現(xiàn)顯著的熱-力耦合統(tǒng)計(jì)行為,對(duì)其功能指標(biāo)有重要影響,本工程通過理論分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬：發(fā)現(xiàn)化學(xué)氣相沉積使用單晶銅111面作為基底可以有效躲避石墨烯出現(xiàn)晶界、折疊、多層等現(xiàn)象；揭示了石墨烯片侵入細(xì)胞膜的毒性機(jī)理；進(jìn)一步提出具有熱-力耦合、隨機(jī)鍵結(jié)合特性的界面統(tǒng)

6、計(jì)力學(xué)模型,并給出了這類弱界面中作用力與分開位移之間的理論表達(dá)式.工程8篇代表論文發(fā)表在固體力學(xué)和物理學(xué)NatureMaterials>NanoLetters、JMPS等頂級(jí)期刊,SCI他引556次.高華健中科院外籍院士、美國科學(xué)院/工程院院士、白春禮中科院院士、美國科學(xué)院外籍院士,JamesHone等學(xué)者在NationalScienceReview、FrontiersofPhysics、Science等著名期刊引用并高度評(píng)價(jià)該工程的科學(xué)發(fā)現(xiàn),得到了國內(nèi)外科研領(lǐng)域的積極評(píng)價(jià)和高度認(rèn)可.工程支撐中科院“百人方案課題結(jié)題評(píng)估優(yōu)秀(3/47),工程完成人獲得中國力學(xué)學(xué)會(huì)“青年科技獎(jiǎng)項(xiàng)、科技部“

7、萬人方案等榮譽(yù).五、客觀評(píng)價(jià)工程的代表性論文得到了中國科學(xué)院外籍院士、美國科學(xué)院/工程院院士高華健教授、中國科學(xué)院院長白春禮院士、哥倫比亞大學(xué)JamesHone教授、中國科學(xué)院江桂斌院士等國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域著名專家在ScienceChemicalSocietyReviewsNatureCommunicationsACSNano等知名期刊的引用評(píng)述,具體如下：對(duì)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1:二維材料中5-7環(huán)缺陷的力學(xué)問題(代表性論文1,2)的引用評(píng)述白春禮院士在FrontiersofPhysics中評(píng)述代表作1的成果：魏宇杰等通過分子動(dòng)力學(xué)模擬及連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論分析深入研究(deeplystudied)了缺陷對(duì)于二維

8、石墨烯晶體力學(xué)性能的影響,他們發(fā)現(xiàn)晶界缺陷可以強(qiáng)化或弱化石墨烯的強(qiáng)度,不僅取決于缺陷的密度,而且與缺陷的具體排布相關(guān)(Front.Phys.2021,9:257).朱廷教授、樓峻教授等在NatureComuunication中評(píng)述代表作1,2：“最近的理論和計(jì)算模型已為完美晶格石墨烯與帶缺陷石墨烯的斷裂強(qiáng)化機(jī)制提供了深刻的解釋(Nat.Commun.2021,5:3782>JamesHon教授課題組在代表作1工作之后,于Science®表工作驗(yàn)證了代表作1的成果發(fā)現(xiàn)：“大角晶界的強(qiáng)度可以接近無缺陷石墨烯的強(qiáng)度,而小角晶界的強(qiáng)度的值依賴缺陷的排列方式(Science2021,34

9、0:1073;同時(shí)利用代表作1的理論結(jié)果解釋相關(guān)機(jī)理.高華健教授在NationalScienceRevieWF口NanoLetter中對(duì)代表作1引用評(píng)述：最近關(guān)于石墨烯計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)多晶石墨烯的強(qiáng)度與晶界處5-7環(huán)缺陷的排列方式密切相關(guān)；石墨烯的強(qiáng)度與缺陷的關(guān)系對(duì)石墨烯在納米設(shè)備中的應(yīng)用起著重要的指導(dǎo)作用(Nat.Sci.Rev.20212:133;NanoLett.2021,12:4605.對(duì)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2:石墨烯的剛度及變形特征(代表性論文3)的引用評(píng)述美國休斯敦大學(xué)PradeepSharm瞰授在其所發(fā)表PhysicalReviewLetters文章中評(píng)述代表作3:“以石墨烯為研究對(duì)象,許多關(guān)鍵研

10、究(keyworks)在近期文獻(xiàn)中出現(xiàn).通過比擬石墨烯和不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的碳材料的勢(shì)能,利用量子化學(xué)計(jì)算,魏宇杰等估計(jì)出0K時(shí)石墨烯的高斯彎曲系數(shù)(Phys.Rev.Lett.2021,119:068002).江桂斌院士等在ACSNano中對(duì)代表作3評(píng)述：魏宇杰等近期闡述石墨烯的彎曲剛度與細(xì)胞脂雙層膜近似,這一性質(zhì)為石墨烯與細(xì)胞膜上的生物分子,如蛋白質(zhì)等的相互作用提供了分子層面的根底(ACSNano2021,7:5732.對(duì)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3:格林菲斯理論對(duì)微納材料的適用性代表性論文4,5引用評(píng)述高華健教授在其InternationalJournalofFracture的綜述文章中指出：“代表作4的研究工作

11、說明當(dāng)裂紋尺度小于10納米時(shí),非線性影響不能被忽略,經(jīng)典格林菲斯理論過高估計(jì)了石墨烯的失效強(qiáng)度,采用基于失效應(yīng)變的斷裂準(zhǔn)那么能提升石墨烯強(qiáng)度的預(yù)測精度Int.J.Fract.2021,196:1.王賢鍬教授在其Nanoscale的文章中評(píng)論道：“代表作4揭示了傳統(tǒng)格林菲斯理論無法準(zhǔn)確預(yù)測含10納米以下裂紋的石墨烯強(qiáng)度,魏宇杰等人建立的格林菲斯修正準(zhǔn)那么能有效描述石墨烯斷裂應(yīng)力與初始裂紋長度之間的關(guān)系,可用于含10納米以下裂紋石墨烯強(qiáng)度的高精度預(yù)測.基于代表作4的發(fā)現(xiàn),該文章對(duì)磷烯的斷裂模式和能量釋放率開展了研究Nanoscale2021,8:5728.香港理工大學(xué)柴楊教授在其發(fā)表于ACSNan

12、o的文章中評(píng)價(jià)代表作4:“這些關(guān)于二維材料的根底研究將會(huì)對(duì)基于它們的可穿戴設(shè)備與諧振器的性能與可靠性提供深刻的理解"ACSNano2021,10,8980.代表作5也被著名綜述期刊ProgressinMaterialsScience弓I用評(píng)述Prog.Mater.Sci.2021,83:24.對(duì)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)4:石墨烯與基體間的相互作用代表性論文6,7,8的引用評(píng)述馬來西亞科技大學(xué)A.R.Mohamed教授發(fā)表于Carbon的綜述文章引用評(píng)述代表作6:“石墨烯在銅111晶面上高的吸附能保證了其在111面上最穩(wěn)定的狀態(tài)并阻止了其它缺陷的產(chǎn)生"Carbon2021,70,1.美國布朗大

13、學(xué)RobertHurt教授在著名綜述期刊ChemicalSocietyReview中指出：“代表作7的研究工作揭示了氧化石墨烯與磷脂雙層膜相互作用物理與力學(xué)機(jī)理Chem.Soc.Rev.,2021,45,1750.意大利伯格尼亞大學(xué)MatteoCalvaresi教授關(guān)于石墨烯對(duì)細(xì)胞膜的破壞研究ACSAppl.Mater.Inter.2021,7,4406,第三軍醫(yī)大學(xué)羅陽教授關(guān)于石墨烯的抗菌特性研究J.Am.Chem.Soc.2021,138,2064中均直接引用了代表作7所揭示的機(jī)理.代表作8關(guān)于細(xì)胞與物質(zhì)相互作用的化學(xué)鍵級(jí)模型也被專業(yè)綜述期刊引用J.Adhesion2021,92,81.本

14、工程支撐課題中科院“百人方案工程2021年結(jié)題評(píng)估優(yōu)秀.工程第一完成人就該工程主要成果獲得2021年中國力學(xué)學(xué)會(huì)“青年科技獎(jiǎng)項(xiàng),2021年獲得科技部“中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才榮譽(yù)稱號(hào),2021年獲得第3批國家“萬人方案科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才榮譽(yù)六、代表性論文1. YujieWei*,JiangtaoWu,HanqingYin,XinghuaShi,RongguiYang*,MildredS.Dresselhaus,Thenatureofstrengthenhancementandweakeningbypentagon-heptagondefectsingraphene,NatureMaterials1

15、1,759-763(2021).2. JiangtaoWu,YujieWei*,Grainmisorientationandgrain-boundaryrotationdependentmechanicalpropertiesinpolycrystallinegraphene,JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids61,1421T432(2021).3. YujieWei*,BaolinWang,JiangtaoWu,RongguiYang*,MartinL.Dunn.Bendingrigidityandgaussianbendingstiffnesso

16、fsingle-layeredgraphene.NanoLetters13,26-30(2021).4. HanqingYin,H.JerryQi,FeifeiFan,TingZhu,BaolinWang,andYujieWei*.Griffithcriterionforbrittlefractureingraphene.NanoLetters15,1918-1924(2021).5. BaolinWang,JiangtaoWu,XiaokunGu,HanqingYin,YujieWei*,RongguiYang*,andMildredDresselhaus.Stableplanarsingl

17、e-layerhexagonalsiliceneundertensilestrainanditsanomalousPoisson'sratio,AppliedPhysicsLetters104,081902(2021).6. XinghuaShi*,QifangYin,YujieWei*,Atheoreticalanalysisofthesurfacedependentbinding,peelingandfoldingofgrapheneonsinglecrystalcopper,Carbon,50(8),3055-3063(2021).7. JiulingWang,YujieWei,

18、XinghuaShi*,andHuajianGao.Cellularentryofgraphenenanosheets:theroleofthickness,oxidationandsurfaceadsorption,RSCAdvances3,15776-15782,(2021).8. YujieWei*.Astochasticdescriptiononthetraction-separationlawofaninterfacewithnon-covalentbonding,JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids70,227-241(2021).七、主要完成人情況姓名排名行政職務(wù)技術(shù)職稱工作單位完成單位杰、一魏一副所長/實(shí)驗(yàn)室主任研究員中國科學(xué)院力學(xué)研究所中國科學(xué)院力學(xué)研究所施興華二無研究員國家納米科學(xué)中央中國科學(xué)院力學(xué)研究所對(duì)本工程奉獻(xiàn):第一完成人一魏宇杰：提出工程“二維材料中5-7環(huán)缺陷力學(xué)問題、石墨