悬浮石墨烯表面强排斥性Lifshitz-van der Waals力的发现及其在纳米操控中的应用

研究人员通过原子力显微镜(AFM)直接测量了悬浮石墨烯表面产生的强排斥性Lifshitz-van der Waals力，发现其在8.8 nm间距下可达1.4 kN/m2，比流体中的Casimir-Lifshitz排斥力高两个数量级。该研究揭示了二维材料独特的介电双折射特性，为解决纳米尺度分子操控和量子悬浮提供了新思路。

　　

在纳米科技领域，表面力对分子动力学行为具有决定性影响。传统理论认为，中性物体间的量子涨落通常导致吸引力，而Lifshitz理论预言在特定介电条件下可能产生排斥力。虽然流体系统中已观察到长程Casimir排斥现象，但其强度较弱（0.1-10 N/m²），且在小间距时会转变为吸引力。悬浮二维材料如石墨烯因其原子级厚度和独特电子结构，可能产生更强的非接触排斥力，这一现象尚未被系统研究。

瑞士联邦理工学院（ETH Zurich）的Gianluca Vagli、Tian Tian等团队在《Nature Communications》发表研究，通过创新性的实验设计和理论建模，首次直接测量了悬浮石墨烯表面产生的强排斥性Lifshitz-van der Waals力。研究人员采用原子力显微镜（AFM）金包被探针，结合第一性原理计算和有效介质模型，系统研究了石墨烯-金属界面的量子力学相互作用。

关键技术方法包括：1）机械剥离法制备悬浮石墨烯样品并转移至多孔SiN_x基底；2）使用两种不同半径（33 nm和13 nm）的金包被AFM探针进行力-位移测量；3）基于密度泛函理论（DFT）计算石墨烯的面内（IP）和面外（OP）极化率；4）建立包含介电双折射特性的有效介质模型；5）通过电子束蒸发验证石墨烯表面润湿性变化。

【直接测量vdW排斥】

通过5766次独立AFM测量发现，金包被探针在8.8 nm间距时平均排斥力达11.8±4.6 pN，对应压力1.4 kN/m²。相比SiN_x基底支撑区域，悬浮石墨烯表现出显著不同的力学响应，其力-位移曲线呈现二次方特征。

【介电响应模型】

创新性地将悬浮石墨烯和真空视为统一的有效介质，计算表明Vac/Gr/Au系统在所有间距和频率下均满足介电失配条件（ε_A-ε_m)(ε_B-ε_m)<0。石墨烯的面内极化率α_2D^∥=8.37×10^-20 C·m²/V，面外极化率α_2D^⊥=2.14×10^-22 C·m²/V，这种强烈各向异性是产生排斥力的关键。

【非润湿性验证】

金蒸发实验显示，悬浮单层石墨烯的金核密度比四层区域低35%，证实排斥力显著降低表面润湿性。SEM图像显示金颗粒优先在褶皱处异相成核，平坦区域几乎无吸附，与理论预测完全一致。

该研究首次实验证实悬浮二维材料可产生超强量子排斥力，其强度比传统流体系统高100倍。这一发现不仅深化了对纳米尺度表面力的理解，更为分子致动器、量子悬浮装置等前沿应用提供了理论基础。特别值得注意的是，研究者建立的有效介质模型成功解释了石墨烯弯曲形变对相互作用的影响，为后续研究其他二维材料（如hBN、MoS₂）的量子力学行为提供了新范式。这项工作将推动纳米机电系统（NEMS）和可控原子组装技术的发展，有望在纳米机器人、超灵敏传感器等领域产生重要影响。