5月13日，东南大学机械工程学院陈云飞教授团队及合作者在纳米科学领域国际顶级期刊《ACS Nano》发表题为《Moiré Energy Dissipation Driven by Nonlinear Dynamics》（摩尔的非线性动力学能量耗散机制）的重要研究成果，首次精确测量莫尔超晶格机械能量耗散并建立普适性理论框架，揭示了非线性动力学不稳定性主导的莫尔超晶格能量耗散机制，为量子计算、滑动电子器件和人们行走过程的能量耗散等前沿领域提供了理论指导。论文被选作《ACS Nano》第 19 卷第 18 期封面论文。
在纳米机电系统与二维量子器件中，机械能量耗散直接影响器件稳定性与耗能效率。莫尔超晶格是一种由二维材料以特定角度堆叠形成的周期性结构，具有丰富的物理性质和广泛的应用前景。然而，结构的相对滑动诱导器件性能失稳，结构超滑机理以及摩擦能量耗散方面存在诸多未解难题。为了推动莫尔超晶格在实际应用中的稳定性，亟需深入理解其能量耗散机制。
针对这一科学问题，陈云飞教授团队与瑞士巴塞尔大学、德国吉森大学合作，开展能量耗散机制研究。研究团队采用超高真空下非接触式原子力显微镜（nc-AFM）和接触式原子力显微镜（FFM）相结合的方法，对莫尔超晶格的能量耗散进行系统研究，建立了声子耗散理论模型，阐明了非线性动力学失稳对接触滑动和振动滑动过程的能量耗散机制，从而为真实摩擦系统的能量耗散提供了统一的理论框架。
采用高真空AFM，研究团队在国际上首次实现对探针沿石墨烯莫尔超晶格表面接触滑动和振动滑动过程能量耗散的精确测量，测量结果表明，在振动滑动和接触滑动过程中，摩尔超晶格都存在局部能量耗散增强，其中莫尔脊部区域的能量耗散显著高于平坦区域。在理论建模方面，研究团队建立了三自由度的声子摩擦模型（Phononic FrictionModel），揭示了非线性失稳机制，发现由莫尔超晶格引起的非线性失稳动力学过程是其能量耗散的核心机制。研究团队首次提出了垂直粘滑不稳定性（vertical stick-slip instability），通过控制界面刚度、莫尔尺寸等方法，可以调控能量耗散。
该研究首次系统地揭示了莫尔超晶格中能量耗散的非线性动力学机制，为理解范德华异质结构中的能量耗散行为提供了新的理论基础。这一发现对于设计低能耗的纳米电子器件和优化二维材料的性能具有重要意义，对纳米摩擦学、量子计算、滑移电子学（slidtronics）和扭曲电子学（twistronics）等前沿领域具有重要参考价值。另一方面，通过对低维材料摩擦耗能的研究，验证了声子摩擦模型能够系统揭示莫尔超晶格在不同方向上的能量耗散规律，所建立的三自由度声子摩擦模型为人们行走过程的耗能建模奠定基础，对类人机器人、车辆运行提供全新的设计手段。
东南大学机械工程学院博士生黄书玉为论文第一作者，陈云飞教授为共同通讯作者。合作单位包括瑞士巴塞尔大学物理系、德国吉森大学应用物理系。该工作获得国家自然科学基金和江苏省自然科学基金前沿基础项目的资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c16817
供稿：机械工程学院
