石墨烯纳米泡泡的多稳定性

使用 He、Ne、Ar、Kr 和 Xe 原子作为模型系统，演示石墨烯纳米泡泡在平坦基底上为多稳定系统。纳米泡泡可以采用多种稳定的定态状态，每种状态由封装原子簇中层数 $l$ 决定。这些层是圆形、同心堆叠的，形成一个 $l$ 阶金字塔结构，顶部平坦。通过局部拉伸膜片实现该金字塔的封装：价键仅在局限原子上方拉长。在覆盖区域之外，膜片保持未变形，贴合基底。最大可能层数 $l_m$ 随封装原子数 $N$ 单调递增，达到 $l_m=6$ 于 $N=4000$。石墨烯膜通过范德华相互作用压缩内部原子簇，产生约 $P\sim 1$~GPa 的内部压力。热力学振动的数值模拟显示，所有 $l$ 层配置中总有一个基态。加热后，该状态平滑过渡为无层数液态配置。所有其他定态状态在达到特征温度 $T_l$ 后转化为该基态。对于 $N=4000$，基态对应四层堆积 ($l=4$)。多个具有不同层数的稳定状态共存于低温下，导致纳米泡泡无统一形状。在此情形下，高度-半径比 $H/R$ 不是常数，可根据层数变化，从 0 到 0.28 变动。