近日，中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室吴恒安教授团队在非共价界面调控微结构材料多尺度力学行为和设计研究中取得了新进展，研究成果发表在固体力学顶级期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids 上。
非共价键是一类能够动态断裂和恢复的相互作用，包括范德华作用、π-π作用、牺牲离子键、氢键等，广泛存在于各种生物材料和人工合成材料中。由纳米功能单元构筑的多层级宏观尺度材料，如珍珠母、蜘蛛丝、木材等，能够基于少数物质通过多样的“微结构+非共价界面”设计发挥纳米功能单元卓越的物理、化学和力学性质以实现宏观材料的多功能性和优异力学性能，从而启发先进纳米复合材料的高性能设计。
图1. 非共价界面层状纳米复合材料的多尺度力学框架
计算力学团队近年来致力于非共价界面调控微结构材料的多尺度力学研究。该团队模拟发现三聚氰胺分子和氧化石墨烯之间存在极强的非共价键作用并得到单分子实验验证，发展了耦合界面滑移的剪滞模型，建立了以小分子强非共价键作用调控界面的石墨烯基层状材料力学设计框架，提出了一种兼顾强度和韧性的材料力学设计理论（J. Mech. Phys. Solids, 2019, 133: 103706 [1]; Int. J. Solids Struct., 2020, 204: 128-137 [2]）。随后，该团队模拟发现水分子作为插层介质可以极大地影响纳米纤维素的界面力学行为，水分子和纤维素间的桥接氢键导致纳米纤维素多级结构在拉伸过程中表现出明显的应变硬化效应并延缓了应变局域化过程，提出了通过湿度界面调控纳米纤维素材料宏观力学性能的新方法（ACS Nano, 2021, 15: 1310-1320 [3]）。
图2.非共价界面层状纳米复合材料宏观力学性能标度律和界面调控理论
非共价界面种类繁多且结构多样，涉及各种非成键型原子间相互作用和不同界面堆叠构型（公度和非公度），在多个尺度上与微结构协同作用且具有显著的非线性变形行为。传统力学研究已无法单独构建该类型材料从微纳尺度到宏观尺度的理论框架，亟需发展新的理论和方法用于非共价界面调控微纳结构材料的多尺度和跨尺度力学研究，为先进纳米复合材料的力学设计奠定理论基础。
计算力学团队针对非共价界面相互作用类型、空间分布、堆叠构型等参量进行了系统研究，通过界面本构关系明晰了非共价界面的共性特征；在此基础上，拓展了经典剪滞模型和Frenkel-Kontorova模型，建立了非共价界面的多尺度力学理论，并以此描述多种非共价界面层状纳米复合材料非线性变形行为；该理论框架给出了界面变形模式、关键特征尺寸、材料力学性能之间的内在关联，揭示了非共价界面层状纳米复合材料的一般性强韧化机制。相关研究以“A universal mechanical framework for noncovalent interface in laminated nanocomposites”为题发表在（J. Mech. Phys. Solids, 2022, 158: 104560 [4]）上。
研究团队从分子尺度到宏观尺度，自下而上地对非共价界面的多尺度力学展开了系统性研究。
（1）针对非共价界面层状纳米复合材料中的非线性变形行为和尺寸效应，发展了一般性力学框架来量化非共价界面的共性特征。通过凝练从各种原子间相互作用和层间官能团分布，扩展了经典剪滞模型的界面本构关系，提出了自下而上的砖块—界面系统多尺度分析框架（砖块即纳米功能单元），以揭示砖块变形和界面内在特征之间的相互作用。
（2）由于界面本构关系的周期性，在不同重叠长度下规则界面存在三种变形模式，即均匀、局部化和扭结变形，并由此定义了两个临界过渡长度参数，以描述非共价界面中变形模式的转换。其中，界面扭结变形表现出多个拓扑缺陷在界面上成核和传播，可以同时增强和增韧层状纳米复合材料。
（3）针对不同的界面堆叠构型开展了离散剪滞分析，阐明了公度界面的变形行为与规则界面相似，而线性滑移模型可以很好地描述非公度界面和随机界面的变形。有趣的是，由于粗糙界面的抗滑阻力，当重叠长度足够长时，随机（非公度）界面的载荷传递能力会规则（公度）界面，这表明存在最优的界面设计，从而在不同长度尺度下获得最佳的材料力学性能。
（4）使用一些通用的特性参数，提出了层状纳米复合材料的变形模式相图，给出了不同非共价界面层级材料的设计图景，为砖块-界面型复合材料的力学设计和优化提供理论指导。
图3. 非共价界面层状纳米复合材料力学设计的共性理论
由于非共价作用的动态可恢复性，非共价界面层状纳米复合材料可以在外载作用下产生非弹性变形或在砖块单元之间产生大的相对滑移，从而在多个层级的长度尺度上引发协调的非线性变形行为，这极大提高了纳米复合材料的综合力学性能和可设计性。该研究针对非共价界面的共性特征，建立了从分子机制到宏观力学性能的多尺度力学框架，为设计和构筑新型高性能功能基元序构材料提供了理论基础。
该系列工作主要完成人包括：何泽洲博士、侯远震博士生、朱银波特任副研究员和吴恒安教授。相关研究工作得到了国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、中国博士后科学基金和中国科学技术大学青年创新重点基金等项目的资助。
论文链接：
[1] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002250961930554X
[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020768320303267
[3] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08574
[4] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509621002143