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作者及发表信息
本研究由武汉大学的Weidong Yan（第一作者）、Wengen Ouyang和Ze Liu（通讯作者）合作完成，发表在期刊Extreme Mechanics Letters2025年第76卷，文章编号102304。Ze Liu的通讯邮箱为ze.liu@whu.edu.cn。研究得到了国家自然科学基金（编号92477138、12102307）等项目的支持。
学术背景
研究领域：该研究属于二维材料力学与多尺度计算领域，聚焦于扭转范德华层状材料（twisted van der Waals layered materials）的力学行为模拟。
研究动机：扭转二维材料（如石墨烯）形成的莫尔超晶格（moiré superlattice）会显著影响材料的物理和力学性能（如超润滑性、超导性）。然而，原子尺度模拟受限于时空尺度，难以研究大尺寸体系的力学响应。因此，开发兼顾精度与效率的粗粒化模型（coarse-grained model, CG模型）成为关键挑战。
研究目标：提出一种基于莫尔超晶格能量等效的CG模型，用于高效模拟扭转双层石墨烯（tblg）等材料的力学行为，并揭示莫尔超晶格对层间变形的影响机制。
研究流程与方法
1. 模型构建
- 研究对象：以扭转双层石墨烯（tblg）为例，将莫尔超晶格划分为AA堆叠和AB堆叠区域（见图1），每个区域等效为粗粒化粒子（CG粒子）。
- 相互作用建模：通过四种弹簧模拟粒子间作用力：
- 线性弹簧（灰色）：描述键长变化（弹性常数(k_d)）；
- 角弹簧（黑色）：描述键角变化（(k_\alpha)）；
- 二面角弹簧（绿色）：描述层间弯曲（(k_\phi)）；
- 范德华弹簧：描述层间相互作用（(k_h)）。
- 参数校准：基于原子模型（如REBO势描述共价键、ILP势描述层间作用）的能量等效原则，通过理论推导校准弹簧常数。例如，(k_d)通过石墨烯面内杨氏模量（1040 GPa）和泊松比反演得到（公式9-11）。
2. 力学性能验证
- 拉伸测试：对比CG模型与全原子分子动力学（MD）模拟的应力-应变曲线（图8c），两者在弹性区高度吻合，验证了CG模型的面内力学响应精度。
- 面外变形分析：
- MD模拟：显示扭转角为2°时，石墨烯层出现约0.3 Å的面外起伏（图4），其分布与莫尔图案一致。
- CG模型：通过二面角弹簧模拟弯曲能（公式21-26），预测的面外变形幅度与MD结果匹配（图9），且计算效率提升显著（CG模型仅需1秒，MD需24小时）。
3. 非线性力学测试
- 三点弯曲模拟（图10）：验证CG模型在非线性大变形下的适用性。结果显示，当压痕深度达特征长度1/14时，CG模型仍保持高精度。
4. 创新方法
- 多尺度能量等效：通过解析推导将原子尺度能量（如弯曲刚度(D=1.44) eV）映射到CG粒子间弹簧常数（公式25-26）。
- 计算效率优化：CG模型的模拟尺寸可达微米级（图8b），比MD模拟提升两个数量级。
主要结果
模型精度验证：
- 拉伸测试中，CG模型与MD模拟的杨氏模量均为1040 GPa，与实验值一致。
- 面外变形分析中，CG模型成功复现了莫尔超晶格依赖的起伏特征（图9），证实其捕捉原子尺度变形的能力。
效率优势：
- 对于扭转角为2°的体系，CG模型的计算时间比MD缩短约(10^5)倍。
机制揭示：
- 层间滑动摩擦的耗散机制与莫尔超晶格的不完全拼贴（incomplete moiré tiles）相关，CG模型定量预测了边缘效应导致的能量壁垒（公式37）。
结论与价值
科学价值：
- 提出了首个基于莫尔超晶格能量等效的CG力学框架，为扭转范德华材料的大尺度模拟提供了通用方法。
- 揭示了面外变形与莫尔超晶格的耦合机制，深化了对超润滑态摩擦起源的理解。
应用前景：
- 可扩展至其他二维材料（如六方氮化硼）的跨尺度设计，加速新型纳米器件（如 twistronics器件）的开发。
研究亮点
- 方法创新：将复杂的原子重构效应简化为CG粒子间的弹簧网络，兼顾精度与效率。
- 多尺度验证：通过MD模拟、理论解析和实验数据三重验证模型可靠性。
- 普适性：模型参数仅依赖材料本征属性（如弯曲刚度、层间势能），适用于不同扭转角体系。
其他有价值内容
- 数据可用性：作者声明数据可应要求提供，增强了研究的可重复性。
- 跨学科意义：该模型为力学、材料科学和物理学的交叉研究提供了工具支撑，例如可用于探索扭转角依赖的超导性机制。
（全文约2000字）