石墨烯剪纸结构中矩形与菱形穿孔调控负泊松比效应的分子动力学研究

本研究通过分子动力学(MD)模拟揭示了石墨烯剪纸结构中矩形与菱形穿孔对负泊松比(NPR)的调控机制。研究人员系统分析了穿孔几何参数（AR/IS）与NPR的关联性，发现高长宽比(AR)与小间距(IS)能增强NPR效应，其中矩形穿孔性能更优。该成果为设计可调力学性能的石墨烯纳米器件提供了理论依据，对柔性电子与传感器发展具有重要意义。

　　

在材料科学的前沿领域，二维材料的力学性能调控一直是研究热点。石墨烯作为明星材料，其超高的强度和刚度却伴随着固有的脆性，这严重限制了其在柔性器件中的应用。传统方法如化学掺杂或缺陷引入往往以牺牲电学性能为代价，而源自东方剪纸艺术的Kirigami技术为这一困境提供了新思路。通过精确设计切割图案，研究者们已能在宏观尺度实现材料的超拉伸性，但如何将这种策略应用于纳米尺度并实现可预测的负泊松比(NPR)行为，仍存在巨大挑战。

江苏高等教育机构自然科学研究重大项目组与布里斯托大学复合材料研究所的Tongwei Han、Fabrizio Scarpa等合作者，在《Materials Today Physics》发表的研究中，首次系统揭示了石墨烯剪纸结构中几何参数与NPR效应的定量关系。研究采用分子动力学(MD)模拟方法，对比分析了矩形与菱形两种穿孔构型在不同长宽比(AR)和单元间距(IS)下的力学响应，发现通过优化这两个关键参数可精确调控NPR值，最高可达-0.38。这一发现不仅建立了纳米剪纸结构与宏观力学行为的桥梁，更为设计新一代可穿戴电子产品的柔性基底材料提供了理论蓝图。

关键技术方法包括：采用AIREBO势函数进行分子动力学模拟，通过周期性边界条件(PBC)处理晶格拉伸，对比验证了原始石墨烯的力学参数；设计包含矩形/菱形穿孔的周期性单元模型，系统改变AR(b/a)和IS(s/L)参数；采用应变控制法计算泊松比，分析旋转刚性单元(RRU)机制与面外变形的协同效应。

Unit cell with the rectangular and rhomboidal perforations
研究构建了包含矩形和菱形穿孔的周期性单元模型。当矩形穿孔的AR从1.0增至3.0时，NPR绝对值提升47%，证实高AR促进刚性单元旋转；而IS减小30%可使NPR降低至-0.28，显示紧密排列增强耦合效应。菱形结构因顶点应力集中导致NPR绝对值比矩形结构低约22%。

Validation of the present MD simulations
模拟结果与实验数据误差小于8%，验证了方法的可靠性。原始石墨烯在armchair和zigzag方向的杨氏模量分别为340±15 N/m和315±12 N/m，与文献报道一致，为后续穿孔结构分析奠定基础。

Conclusions
研究证实矩形穿孔在AR=3.0、IS=0.2L时展现最优NPR性能(-0.38)。这种异常力学行为源于双重机制：在平面内，高AR促进RRU机制产生NPR；在三维层面，小IS增强单元间面外屈曲协同作用。该发现突破了传统认为面外变形会削弱NPR的观点，证明二者存在优化组合。

讨论部分强调，这种"几何参数-力学响应"的定量关系可推广至其他二维材料如MoS₂
和h-BN。通过建立AR/IS的设计准则，未来可开发具有梯度NPR的智能材料，例如在柔性电极中实现应变自适应导电性，或在微机电系统(MEMS)中制造零热膨胀部件。研究团队特别指出，中国剪纸艺术中的传统图案可能蕴含尚未发掘的优化几何构型，这为跨学科创新提供了独特视角。