碳纳米管和石墨烯等由碳原子层构成的低维材料具有高强度、高导热/导电性等优异特性，可通过施加力学载荷等方法诱导变形以调控低维材料物理特性。例如，通过基底控制石墨烯起伏形貌，可以调控其表面的疏水性和透光性。前人的工作主要集中于平面基底上低维碳层的失稳行为，而曲面基底上低维材料的失稳行为仍需进一步研究。
近日，复旦大学航空航天系徐凡课题组揭示填充碳纳米管表面失稳形貌演化规律，发现“纳米袖子”现象（图1），研究成果以“Nanosleeves: Morphology Transitions of Infilled Carbon Nanotubes”为题发表于固体力学顶级期刊J. Mech. Phys. Solids (doi:10.1016/j.jmps.2021.104398)。碳纳米管内部可以通过化学气相沉积(CVD)等方法填入金属及碳化硅等物质，构成填充碳管，在纳米输运和纳米探针方面具有应用价值。研究人员通过分子动力学方法模拟了填充碳管轴向受压下的表面失稳行为，发现随着载荷增加，碳管先后经历光滑(smooth)-褶皱(wrinkle)-凸脊(ridge)-松垂(sagging)的后屈曲多重分岔失稳。“纳米袖子”现象是一个涉及多重模态连续转变的强非线性问题。为揭示内在物理机制，研究人员进一步建立了有限应变核壳模型，结合数值渐近法和谱配点法，能准确预测二次分岔失稳过程（图2）。通过稳定性分析，给出了临界褶皱应变的显式表达，阐明了曲率的影响机理。另外，研究人员考察了碳管层数的影响，发现随着层数增加，会出现新的后屈曲模态演化过程，即光滑(smooth)-褶皱(wrinkle)-钻石(diamond)。研究结果揭示了曲率可灵活调控低维材料表面形貌，为利用应变工程调控和设计低维材料理化性质提供了新思路。
图1. “纳米袖子”形貌演化全景。(a)-(d)分子动力学模拟发现光滑(smooth)-褶皱(wrinkle)-凸脊(ridge)-松垂(sagging)形貌演化。(e)-(g)有限应变核壳模型预测结果。(h)非对称松垂模态。
图2. “纳米袖子”后屈曲分岔图。黄线和蓝线表示凸脊的挠度，红线和紫线表示与凸脊相邻的波峰挠度。
该研究由复旦大学航空航天系徐凡课题组独立完成，研究生丁明达是论文第一作者，徐凡教授是论文的通讯作者。研究得到国家自然科学基金委、上海市科委和上海市教委等资助。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S002250962100082X
