格林菲斯理论对纳米尺度结构的适用性研究获进展

　　当将宏观理论应用到微纳米系统时，它们的可适用性通常受到质疑。这种质疑源自这样一个事实：某些物理量在大尺寸结构下和小尺度体系中的性质以及产生的作用可能发生显著变化；在表面张力帮助下，一只蚊子可以轻松停在水面上，但我们不会指望一头水牛站在水面上。诺贝尔物理奖得主理查德˙费曼于1959在加州理工学院的演讲中即提到There's Plenty of Room at the Bottom，表明在微纳尺度的基础研究和技术发展都有很大的空间。确定这些宏观理论可适用的临界尺度，同时理解它们应用于微纳系统时问题出现的原因，从而找到与宏观理论对应的描述这些微纳系统的新方法，是微纳尺度基础研究的核心问题。

　　在材料破坏过程中，我们知道含裂纹的材料在裂纹扩展过程时，系统释放的能量不小于裂纹扩展而形成新表面所对应的表面能；并由此可以推导出材料的强度与微裂纹长度以及材料表面能之间的关系，这就是力学领域熟知的格林菲斯理论。这一理论在纳米尺度的裂纹体系中，同样面临挑战：在这一尺度上，局部原子间的非线性相互作用、原子排列导致的各向异性、宏观参数如表面能受局部变形及原子排布的影响等因素都将放大，这与传统的林菲斯理论所要求的线弹性裂纹、各向同性材料、单一表面能相违背。

　　中国科学院力学研究所科研人员在最近的理论工作中，通过原子尺度模拟与理论分析，发现格林菲斯理论能准确地预测含10纳米左右以上裂纹的石墨烯的强度；当裂纹长度小于这个量级时，所预测的强度与计算所得到的强度出现明显差异。这一现象源自短裂纹中裂纹尖原子间的非线性相互作用、裂纹尖原子排列在强度上的各向异性等因素：裂纹倾向于沿着zigzag边界扩展，因为这一方向上原子键的强度最低。这一现象与基于能量原理的林菲斯理论不同。同时，研究人员提出的通过临界应变的理论方法可以很好地预测含短裂纹石墨烯在破坏时所对应的最大应变。这一工作对于基于石墨烯材料的微小系统的可靠性以及采用石墨烯作为增强相的复合材料的强度预制有重要意义。

　　该工作发表在2015年3月的Nano Letters 杂志（尹汗青，齐航，方菲菲，朱廷，王宝林，魏宇杰）。该研究工作受到了国家自然科学基金委、科技部“973”计划以及中国科学院等机构的资助。