全文速递

       近几十年来，纳米制造领域的显著进展促使电子设备缩小到前所未有的尺寸，达到纳米甚至埃米级别。单层二维材料可以作为制造纳米甚至埃米尺寸设备和仪器的理想材料，其热膨胀性能在其电子和光学应用中至关重要，因为累积的热应力/应变会导致设备的性能和使用寿命下降。零热膨胀材料的尺寸随温度不发生显著变化，广泛应用于对温度敏感以及高抗热冲击设备。然而，目前报道的二维材料有的表现为正热膨胀，有的表现为负热膨胀，到目前为止还没有发现二维零热膨胀单层晶体。西安交通大学航天航空学院刘益伦课题组以“Machine learning enables the discovery of 2d Invar and anti-Invar monolayers”为题在国际知名期刊《Nature Communications》上发表了一篇研究论文，结合数据驱动方法、高通量计算和理论分析，通过大量数据识别出影响热膨胀的力学描述符-面内拉伸刚度和面外弯曲刚度，预测了在中等温度范围内具有极低热膨胀系数的二维零热膨胀材料和极端热膨胀属性的二维晶体。

内容概述

       在有限温度下二维材料具有面内膨胀和面外收缩两个模态（图1），研究表明，二维材料的面内膨胀应变正比于拉伸刚度的负二次方，同时二维材料的面外收缩应变正比于弯曲刚度负一次方。这两个力学描述符可以很好地对正负热膨胀材料进行分类，并且越靠近分类线的材料热膨胀系数越低（图2）。基于以上的理解，设计了零热膨胀和极端热膨胀材料的筛选准则并理论计算验证（图4）。该研究对极低和极高热膨胀系数的二维材料的深入理解具有重要的科学意义，研究结果有助于拓宽二维材料在后摩尔时代的应用范围。

图1. 二维材料的面内和面外变形模式; (a)面内和面外变形的一维原子链模型; (b)石墨烯热涨落示意图; (c)石墨烯和二硫化钼的热膨胀系数曲线

图2. 正/负热膨胀二维材料分类模型; (a)使用面内刚度和弯曲刚度对正/负热膨胀二维材料进行分类; (b) 二维硫化物的热膨胀系数

图3. 零热膨胀和极端热膨胀二维材料的高通量筛选流程

图4. 零热膨胀和极端热膨胀二维材料的晶体结构和热膨胀系数曲线

关于作者

       西安交通大学航天航空学院博士生田顺为论文的第一作者，苏州大学能源学院周柯副教授和西安交通大学航天航空学院刘益伦教授为论文通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金和陕西省自然科学基础研究计划重点项目的资助。西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队长期招聘博士后和博士生，欢迎有意者联系。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-024-51379-6