热涨落薄膜的力学

除了具有独特的电子性质外，石墨烯还被认为是自然界中最强的材料。在诺贝尔委员会的新闻稿中，声称由一平方米的单原子层厚石墨烯制成的吊床可以承受一只4公斤猫的重量。更实际的重要应用是石墨烯作为支架和传感器，这些应用关键依赖于其机械强度。米级尺寸的石墨烯甚至被考虑用于“突破摄星”计划中的光帆，以抵达半人马座阿尔法星。石墨烯的预测强度基于其非常大的杨氏模量，按每原子层计算，远大于钢的杨氏模量。然而，这种推理适用于传统的薄板，但没有考虑到石墨烯作为热涨落晶体薄膜的特殊性质。最近实验和理论都表明，与原子尺度值相比，热涨落导致微米尺寸石墨烯样品的杨氏模量急剧降低，弯曲刚度增加。这使得标准的薄板Föppl-von Kármán弹性理论（FvK）不能直接应用于石墨烯和其他单原子层薄膜。这一事实很重要，因为当前对实验结果的解释正是基于FvK理论。我们特别指出，通常用于从压痕实验推导杨氏模量的、源自FvK理论的Schwerin方程，对于室温下的微米尺寸石墨烯样品必须进行实质性修正。基于标度分析和原子模拟，我们研究了石墨烯在横向载荷下直至断裂的力学行为。我们确定了FvK理论的适用范围，并为不同区域提供了定量估计。