摘要：理解二维材料的表面作用力具有基础科学重要性，因为这些力主导着纳米尺度的分子动力学行为。尽管目前对基底支撑式二维单层材料的表面力已有认知，但二维材料固有的本征表面特性仍不明确。

成果介绍

理解二维材料的表面作用力具有基础科学重要性，因为这些力主导着纳米尺度的分子动力学行为。尽管目前对基底支撑式二维单层材料的表面力已有认知，但二维材料固有的本征表面特性仍不明确。

有鉴于此，近日，苏黎世联邦理工学院Chih-Jen Shih教授团队及其合作者报道了悬浮石墨烯表面附近存在的排斥性利希兹-范德华（Lifshitz-vdW）力的现象。通过结合考虑石墨烯柔韧性的理论模型，研究人员利用原子力显微镜直接测量到这种排斥力。当金镀层探针与悬浮石墨烯间距为8.8 nm时，检测到平均高达1.4 kN/m2的排斥力——该数值比流体中演示的长程Casimir-Lifshitz排斥力高出两个数量级。该研究发现表明，悬浮二维材料可对任何接近的电中性物体产生排斥作用，从而导致显著降低的润湿性。这一现象可能为分子驱动和量子悬浮等技术应用提供新的机遇。

图1 | 悬浮石墨烯Lifshitz-vdW排斥力的直接测量。

图2 | 不同体系中Lifshitz-vdW力-位移响应曲线的对比。

图3 | 悬浮二维材料表面的Lifshitz-vdW相互作用。

图4 | 实测排斥力与考虑石墨烯形变的Lifshitz理论值对比。

图5 | 悬浮石墨烯降低润湿性抑制金颗粒成核的现象。

结论与展望

该研究通过原子力显微镜直接观测到悬浮石墨烯平面产生的强排斥性Lifshitz-vdW力，并且建立了结合Lifshitz形式体系与有效介质方法的理论框架来描述该排斥力，该框架总体上呈现良好的吻合度。研究指出，当前模型在特定间距范围内存在局限性。通过采用极化张量方法等改进手段，该理论框架有望得到进一步完善。Lifshitz-vdW排斥作用机制能合理解释蒸发实验中观察到的悬浮石墨烯润湿性显著降低现象。这种强排斥力的产生可实现无需液体浸润的量子悬浮，从而为新型纳米机电系统开辟道路。我们相信，本文揭示的基础性认知将极大推动表面作用力调控技术与悬浮二维材料加工领域的发展。

文献信息

Vagli, G., Tian, T., Naef, F. et al. Strong repulsive Lifshitz-van der Waals forces on suspended graphene. Nat Commun16, 7726 (2025).

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63074-1

信息来源：低维 昂维

来源：小夏科技论