国家自然科学奖推荐书-中科院力学所

一、提名项目：典型二维材料的力学行为

二、提名专家：郑哲敏（国家最高科技奖获得者），中国科学院力学研究所，院士，力学

三、提名意见

该项目以典型二维材料石墨烯为研究对象，采用连续介质理论方法，结合第一性原理和分子动力学计算，深入系统地研究了二维材料中的典型缺陷、强度特征、关键弯曲参数、断裂失效规律、细胞毒性等力学行为。首次给出了描述二维材料中典型5-7环晶体缺陷应力场的理论表达式，针对多晶石墨烯中晶界由5-7环构成的特点，给出了晶界角度与石墨烯强度的理论关系；首次给出石墨烯的高斯弯曲刚度系数；揭示了传统格林菲斯断裂理论在10 纳米以下尺度的适用特征；提出石墨烯侵入细胞膜的毒性机理。这些科学问题的提出与解决促进了固体力学和相关交叉学科的发展，为二维材料的实际应用提供了科学理论引导。

该项目8篇代表性论文发表在固体力学和物理学顶级期刊（Nature Material、Nano Letters、JMPS等），共被Science、Chem. Soc. Rev.、Nature Nanotech.等权威SCI学术刊物他人引用556次，引用者包括国内外院士、相关领域知名学者等。该项目工作获得了国内外学术科研领域的积极引用和高度认可。

提名该项目为国家自然科学奖二等奖。

四、项目简介

该项目针对二维材料微结构和宏观力学行为关联这一科学问题开展研究，以石墨烯等为典型研究对象，通过理论分析并结合第一性原理计算，解析了二维材料中5-7环典型缺陷的应力场，计算给出单层石墨烯的关键弯曲参数，探索了二维材料的断裂失效和晶界方向、裂纹长度的关联机制等，主要科学发现包括以下四个方面。

1）提出二维材料中5-7环缺陷的力学问题并首次给出该类缺陷弹性场的理论解。正确理解二维多晶材料的力学性能，首先需要解决两个关键问题：（1）构成晶界的典型缺陷5-7环的应力场，（2）多个5-7环组成的晶界对石墨烯强

度的影响。本项目通过连续介质理论分析，并结合原子尺度计算验证，首次给出了二维晶体中基本缺陷5-7环应力场的理论表达式，并导出了典型晶界中5-7环所形成的预应力与晶界角度的理论关系，进而发现石墨烯的强度不仅依赖于晶界角度、缺陷密度，也与缺陷的具体构型密切相关。该工作首次提出5-7环缺陷对二维材料的力学性能的影响等同于位错对三维晶体材料力学行为的影响，为描述二维晶体结构中典型缺陷的相互作用提供了基本方法。

2）首次给出石墨烯的关键弯曲参数。离面变形是二维材料在热、力作用下的典型力学行为，这一变形过程由两个关键力学参数“弯曲刚度和高斯弯曲刚度”控制。本项目依据富勒烯和单壁纳米碳管“薄膜构型能量与薄膜曲率”的关系，并结合Helfrich哈密顿量与第一性原理计算，准确给出了单层石墨烯的弯曲刚度和高斯弯曲系数。此新方法可以推广应用到获取其它二维材料的弯曲刚度和高斯弯曲系数。

3）揭示格林菲斯断裂理论对微纳尺度材料的适用特征。本项目通过原子模拟与理论分析发现：利用格林菲斯理论预测石墨烯强度时，存在一个临界裂纹长度，当长度小于10纳米量级时，理论预测强度与计算强度出现明显差异。这一现象源自短裂纹中裂纹尖原子间的非线性相互作用、裂纹尖原子排列导致强度上的各向异性等因素。这一工作对基于石墨烯的微系统和增强复合材料的可靠性及强度预测有重要意义。

4）揭示石墨烯与基体间的相互作用规律。单原子厚的膜与基底的相互作用呈现显著的热-力耦合统计行为，对其功能指标有重要影响，本项目通过理论分析和分子动力学模拟：发现化学气相沉积使用单晶铜（111）面作为基底可以有效规避石墨烯出现晶界、折叠、多层等现象；揭示了石墨烯片侵入细胞膜的毒性机理；进一步提出具有热-力耦合、随机键结合特性的界面统计力学模型，并给出了这类弱界面中作用力与分开位移之间的理论表达式。

项目8篇代表论文发表在固体力学和物理学Nature Materials、Nano Letters、JMPS等顶级期刊，SCI他引556次。高华健（中科院外籍院士、美国科学院/工程院院士）、白春礼（中科院院士、美国科学院外籍院士），James Hone等学者在National Science Review、Frontiers of Physics、Science等著名期刊引用并高度评价该项目的科学发现，得到了国内外科研领域的积极评价和高

度认可。项目支撑中科院“百人计划”课题结题评估优秀（3/47），项目完成人获得中国力学学会“青年科技奖项”、科技部“万人计划”等荣誉。

五、客观评价

项目的代表性论文得到了中国科学院外籍院士、美国科学院/工程院院士高华健教授、中国科学院院长白春礼院士、哥伦比亚大学James Hone教授、中国科学院江桂斌院士等国内外相关领域著名专家在Science、Chemical Society Reviews、Nature Communication、ACS Nano等知名期刊的引用评述，具体如下：对发现点1：二维材料中5-7环缺陷的力学问题（代表性论文[1,2]）的引用评述白春礼院士在Frontiers of Physics中评述代表作[1]的成果：“魏宇杰等通过分子动力学模拟及连续介质力学理论分析深入研究（deeply studied）了缺陷对于二维石墨烯晶体力学性能的影响，他们发现晶界缺陷可以强化或弱化石墨烯的强度，不仅取决于缺陷的密度，而且与缺陷的具体排布相关…”（Front. Phys. 2014, 9: 257）。朱廷教授、楼峻教授等在Nature Comuunication中评述代表作[1,2]：“最近的理论和计算模型已为完美晶格石墨烯与带缺陷石墨烯的断裂强化机制提供了深刻的解释”(Nat. Commun. 2015, 5: 3782)。James Hone教授课题组在代表作[1]工作之后，于Science发表工作验证了代表作[1]的成果发现：“大角晶界的强度可以接近无缺陷石墨烯的强度，而小角晶界的强度的值依赖缺陷的排列方式”（Science 2013, 340: 1073）；同时利用代表作[1]的理论结果解释相关机理。高华健教授在National Science Review和Nano Letter中对代表作[1]引用评述：“最近关于石墨烯计算模拟发现多晶石墨烯的强度与晶界处5-7环缺陷的排列方式密切相关；石墨烯的强度与缺陷的关系对石墨烯在纳米设备中的应用起着重要的指导作用”（Nat. Sci. Rev. 2015 2: 133; Nano Lett. 2012, 12: 4605）。

对发现点2：石墨烯的刚度及变形特征（代表性论文[3]）的引用评述美国休斯敦大学Pradeep Sharma教授在其所发表Physical Review Letters文章中评述代表作[3]：“以石墨烯为研究对象，许多关键研究（key works）在近期文献中出现。通过比较石墨烯和不同拓扑结构的碳材料的势能，利用量子化学计算，魏宇杰等估计出0 K时石墨烯的高斯弯曲系数”（Phys. Rev. Lett. 2017, 119: 068002）。江桂斌院士等在ACS Nano中对代表作[3]评述：“魏宇杰等近期阐述石墨烯的弯曲刚度与细胞脂双层膜近似，这一性质为石墨烯与细胞膜上