超声波如何剥离二维材料？科学家用高速影像揭开过程秘密

二维功能材料具有独特的光学、电学和磁学性能，在储能、催化和纳米电子等领域应用潜力巨大。然而，高效、低成本、可持续地制备大量大尺寸二维材料仍是当前挑战。超声液相剥离（ULPE）因环境友好、成本低等优势，被认为是制备二维材料的理想方法之一，但超声场中空化气泡动态及其对材料剥离的作用机制长期不明确。

本研究利用欧洲XFEL的SPB/SFX光束线，采用兆赫兹X射线自由电子激光成像（X射线脉冲约25飞秒）结合机器学习策略，对超声场中空化气泡群的动态进行了全面的原位成像研究。同时，通过多物理场建模模拟了冲击波的产生、传播、冲击及应力变化。

研究明确揭示：单个气泡内爆产生的冲击波应力约1.1 MPa，不足以导致明显剥离；多个气泡准同时内爆（时间间隔约5微秒）产生冲击波叠加，应力可达约6.6 MPa，使石墨层产生更大偏转；气泡群同步 collapse 则会产生叠加冲击波，且具有约3个超声周期的亚谐波周期性，是导致层剥离的主要驱动力。此外，结构缺陷和层间结合强度对剥离速率影响显著：高定向热解石墨（HOPG）缺陷少、结合强度高（约5.0 MPa），平均剥离速率仅约0.06 μm/s，主要通过疲劳效应剥离；天然石墨 flakes（NGF）缺陷多、结合强度低（约0.48 MPa），平均剥离速率约2.34 μm/s，峰值可达约38 μm/s，约为HOPG的40倍，以瞬时剥离为主。

这些发现填补了超声场中二维材料剥离物理机制的长期空白，为优化和扩大二维材料生产提供了坚实的理论基础，有助于实现更经济、可持续的制备过程。