纳米非键合界面的力学与能量传递过程研究

纳米尺度界面，特别是由静电、van der Waals力和氢键等非键合相互作用结合的界面，是纳米机械电子器件和多功能纳米复合材料性质的决定性因素。对其力学性质（刚度、强度）和能量输运行为（热传导，电子输运），不仅是材料、器件设计优化的基础，也是理解自然、生物和工程材料中基本物理过程的关键。作为一个新兴的课题，实验技术在空间和时间尺度上的精度不足，同时基于经典连续介质和细观力学的理论框架又不足以描述纳米尺度的特征结构和非经典效应，这些原因导致目前对这一课题的理解相当缺乏。本项目拟采用多尺度、多物理场计算模拟的方法进行系统研究，主要的研究目标为（1）计算几种代表性界面（金属、半导体、高分子等）的热、电传导率，以及其与分子结构、环境条件的关系；（2）基于第一原理和分子动力学模拟的结果，建立纳米界面能量传递过程的宏微观理论与控制方程，构建跨尺度的计算框架；（3）提出新型纳米机电器件和能源材料设计。

非键合界面的力学与能量输运过程是微纳米尺度力学、物理现象的基本机制，决定了相关器件、材料应用的性能。本项目通过理论与计算模拟方法对碳纳米材料之间及其与金属、半导体、水等不同材料之间界面的力学载荷传递、热学电学耦合等问题进行了研究。我们发现了配位键作为微纳米结构交联的独特力学性质，石墨烯与基底之间热学、电学耦合可进行独立调控等现象；提出了其行为的特点与可进行有效描述预测的力学、物理模型，并指出现有模型的不足与修正方法。本项目为优化设计应用于宏微观尺度材料、器件提供了理论基础，并提供了一些独特的设计案例。