孤立波（Solitary Wave）是在非线性系统中形成的独特有序结构，其产生是色散效应和非线性效应平衡的结果。孤立波最初是在流体中发现，它是否仅出现在流体中，这是历史上一个重要而有趣的问题。在过去的几十年中，凝聚态物理、光纤光学和神经动力学等非流体系统中也发现了孤立波或孤子（Soliton），这表明在非流体系统中也存在孤立波或孤子。当流体与可变形固体相互作用时，已有理论研究表明在充满流体的弹性管中，忽略高阶项可以得到孤立波的数值解。但这种流固耦合（Fluid-Structure Interaction，FSI）体系中孤立波的形成与传播还没有实验研究报道。
发生屈曲变形的固体薄膜是典型的非线性系统，由于界面混合模式断裂导致的钉扎效应，屈曲通常会采用尖端蔓延的传播方式，形成直边形、圆形、电话线、圆环形和网络状等形貌。薄膜-基底界面作用是影响薄膜屈曲变形的关键因素，特别是在二维范德华薄膜体系中，薄膜-基底界面的界面应力、结合能、亲疏水性等因素都会对其变形模式产生重要影响。当界面与源自湿度、有机溶剂、泵油等形成的流体发生相互作用时，流体不仅会在固体薄膜中引发屈曲变形，还会影响屈曲变形的动态传播过程，从而引发新奇的薄膜变形行为。
近来，材料学院刘锴副教授与航天航空学院李晓雁教授紧密合作，报道了由界面流固耦合效应在MoS2薄膜中诱导产生的新型类孤立波变形模式（Solitary-Wave-Like Blisters，SWLB）。该变形可以作为一个整体向前传播（图1h），并且表现出变形的三维尺寸逐渐增大的特征（图2）。原位力学、红外光谱和原子力显微镜（AFM）测量证明，在高相对湿度下MoS2薄膜-基底界面会形成约3nm厚的纳米水膜（图3c）。该纳米级厚度的水膜使得SWLB前端的薄膜会不断从基底上脱层，同时后端由于界面纳米水膜的毛细作用重新粘附在基底上，从而形成了不断向前传播的SWLB模式（图3d）。基于体系能量变化的理论建模可以很好地预测SWLB的三维轮廓膨胀和传播行为（图4e-f）。该工作在固体薄膜材料中发现了新奇的类孤立波变形模式，揭示了纳米限域的流固耦合效应对薄膜结构变形的重要影响，对二维薄膜材料的功能化应用和失效机制研究具有非常重要的意义。
图1.SWLB变形模式和普通屈曲模式的示意图及形貌图。（a-b）水中孤立波和普通水波的示意图。（c-d）SWLB变形模式及其截面轮廓的示意图，其中薄膜-基底界面存在脱层（Delamination）和重新粘附效应（Re-adhesion）。(e-f）普通屈曲模式及其截面轮廓的示意图，其扩展尖端的薄膜-基底界面发生脱层（Delamination）。（g）SWLB和网络状屈曲的光学形貌伪彩图，其中橙色是SWLB区域，而蓝色是网络状屈曲区域。（h）单个SWLB传播过程中的形貌变化
图2.SWLB扩展过程中的三维形貌变化。（a-f）传播过程中不同时刻SWLB的三维轮廓图，其中Rt是t时刻的瞬态曲率半径，Rf是最终的终态曲率半径。（g）不同时刻SWLB中心区域的截面轮廓，测量位置是图（a-f）白色划线区域。（h）SWLB的瞬态高度δt、瞬态半宽度bt和瞬态曲率半径Rt之间的关系。（i）终态曲率半径Rf的统计分布以及断裂鼓泡比例随终态半径Rf的变化规律
图3.湿度及界面纳米水膜在SWLB形成中的作用。（a）不同湿度下原位力学测试得到的拉力-位移曲线。（b）高湿度(~80% RH)下ATR-FTIR测得的吸光度曲线，证明MoS2/Sapphire在高湿度下存在界面水膜。（c）AFM测得的在干燥和高湿度条件下MoS2薄膜的高度轮廓，∆t为高度变化量，即为估算的界面水膜厚度。（d）由湿度驱动的SWLB的机理示意图，插图展示了由SWLB后端界面纳米水膜的毛细作用所引起的重新粘附效应（Re-adhesion）。（e）SWLB与其他屈曲模式的对比，其中Gc是界面能，σr是薄膜中的残余应力，t是薄膜厚度，Pre=1表示存在重新粘附过程，Pre=0表示不存在重新粘附过程
图4.界面作用的分子动力学(MD)模拟和SWLB的理论建模。（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体系的拉力-位移曲线。（d）SWLB理论模型的示意图，其中S1为已传播区域，S2为鼓泡区域，S3为未传播区域。（e）根据理论模型计算得到的不同截面轮廓下SWLB总能量与其曲率半径的关系。（f）理论模型预测得到的不同截面轮廓SWLB的终态平衡位置
相关成果以“MoS2薄膜中由纳米水膜驱动的类孤立波鼓泡变形”（Water nanolayer facilitated solitary-wave-like blisters in MoS2thin films）为题，近日在线发表在国际著名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。
清华大学材料学院2022届博士毕业生王恩泽、航天航空学院2021届博士毕业生熊紫辛为论文的共同第一作者。清华大学刘锴副教授、航天航空学院李晓雁教授为论文的共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会基础科学中心项目和面上项目等的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40020-7