孤立波（Solitary Wave）是在非線性系統中形成的獨特有序結構，其産生是色散效應和非線性效應平衡的結果。孤立波最初是在流體中發現，它是否僅出現在流體中，這是曆史上一個重要而有趣的問題。在過去的幾十年中，凝聚态物理、光纖光學和神經動力學等非流體系統中也發現了孤立波或孤子（Soliton），這表明在非流體系統中也存在孤立波或孤子。當流體與可變形固體相互作用時，已有理論研究表明在充滿流體的彈性管中，忽略高階項可以得到孤立波的數值解。但這種流固耦合（Fluid-Structure Interaction，FSI）體系中孤立波的形成與傳播還沒有實驗研究報道。
發生屈曲變形的固體薄膜是典型的非線性系統，由于界面混合模式斷裂導緻的釘紮效應，屈曲通常會采用尖端蔓延的傳播方式，形成直邊形、圓形、電話線、圓環形和網絡狀等形貌。薄膜-基底界面作用是影響薄膜屈曲變形的關鍵因素，特别是在二維範德華薄膜體系中，薄膜-基底界面的界面應力、結合能、親疏水性等因素都會對其變形模式産生重要影響。當界面與源自濕度、有機溶劑、泵油等形成的流體發生相互作用時，流體不僅會在固體薄膜中引發屈曲變形，還會影響屈曲變形的動态傳播過程，從而引發新奇的薄膜變形行為。
近來，beat365劉锴副教授與航天航空學院李曉雁教授緊密合作，報道了由界面流固耦合效應在MoS2薄膜中誘導産生的新型類孤立波變形模式（Solitary-Wave-Like Blisters，SWLB）。該變形可以作為一個整體向前傳播（圖1h），并且表現出變形的三維尺寸逐漸增大的特征（圖2）。原位力學、紅外光譜和原子力顯微鏡（AFM）測量證明，在高相對濕度下MoS2薄膜-基底界面會形成約3nm厚的納米水膜（圖3c）。該納米級厚度的水膜使得SWLB前端的薄膜會不斷從基底上脫層，同時後端由于界面納米水膜的毛細作用重新粘附在基底上，從而形成了不斷向前傳播的SWLB模式（圖3d）。基于體系能量變化的理論建模可以很好地預測SWLB的三維輪廓膨脹和傳播行為（圖4e-f）。該工作在固體薄膜材料中發現了新奇的類孤立波變形模式，揭示了納米限域的流固耦合效應對薄膜結構變形的重要影響，對二維薄膜材料的功能化應用和失效機制研究具有非常重要的意義。
圖1.SWLB變形模式和普通屈曲模式的示意圖及形貌圖。（a-b）水中孤立波和普通水波的示意圖。（c-d）SWLB變形模式及其截面輪廓的示意圖，其中薄膜-基底界面存在脫層（Delamination）和重新粘附效應（Re-adhesion）。(e-f）普通屈曲模式及其截面輪廓的示意圖，其擴展尖端的薄膜-基底界面發生脫層（Delamination）。（g）SWLB和網絡狀屈曲的光學形貌僞彩圖，其中橙色是SWLB區域，而藍色是網絡狀屈曲區域。（h）單個SWLB傳播過程中的形貌變化
圖2.SWLB擴展過程中的三維形貌變化。（a-f）傳播過程中不同時刻SWLB的三維輪廓圖，其中Rt是t時刻的瞬态曲率半徑，Rf是最終的終态曲率半徑。（g）不同時刻SWLB中心區域的截面輪廓，測量位置是圖（a-f）白色劃線區域。（h）SWLB的瞬态高度δt、瞬态半寬度bt和瞬态曲率半徑Rt之間的關系。（i）終态曲率半徑Rf的統計分布以及斷裂鼓泡比例随終态半徑Rf的變化規律
圖3.濕度及界面納米水膜在SWLB形成中的作用。（a）不同濕度下原位力學測試得到的拉力-位移曲線。（b）高濕度(~80% RH)下ATR-FTIR測得的吸光度曲線，證明MoS2/Sapphire在高濕度下存在界面水膜。（c）AFM測得的在幹燥和高濕度條件下MoS2薄膜的高度輪廓，∆t為高度變化量，即為估算的界面水膜厚度。（d）由濕度驅動的SWLB的機理示意圖，插圖展示了由SWLB後端界面納米水膜的毛細作用所引起的重新粘附效應（Re-adhesion）。（e）SWLB與其他屈曲模式的對比，其中Gc是界面能，σr是薄膜中的殘餘應力，t是薄膜厚度，Pre=1表示存在重新粘附過程，Pre=0表示不存在重新粘附過程
圖4.界面作用的分子動力學(MD)模拟和SWLB的理論建模。（a）MD模拟所采用的原子模型。（b-c）MD模拟得到的MoS2/Sapphire和MoS2/H2O/Sapphire體系的拉力-位移曲線。（d）SWLB理論模型的示意圖，其中S1為已傳播區域，S2為鼓泡區域，S3為未傳播區域。（e）根據理論模型計算得到的不同截面輪廓下SWLB總能量與其曲率半徑的關系。（f）理論模型預測得到的不同截面輪廓SWLB的終态平衡位置
相關成果以“MoS2薄膜中由納米水膜驅動的類孤立波鼓泡變形”（Water nanolayer facilitated solitary-wave-like blisters in MoS2thin films）為題，近日在線發表在國際著名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
beat3652022屆博士畢業生王恩澤、航天航空學院2021屆博士畢業生熊紫辛為論文的共同第一作者。清華大學劉锴副教授、航天航空學院李曉雁教授為論文的共同通訊作者。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會基礎科學中心項目和面上項目等的支持。
論文鍊接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40020-7