具有介电各向异性的平行板之间不仅具有范德华力，还具有范德华扭转力矩。范德华力矩通常在层状材料、分子组装和界面物理中扮演着基础角色。过去，研究者通常借助连续介质的 Casimir-Lifshitz理论来分析这一问题，这类连续介质理论方法能够捕捉到宏观尺度下的基本规律，但对于纳米尺度体系中十分关键的原子结构细节和纳尺度效应考虑不足。针对半个世纪以来范德华力矩无法通过微观分子理论描述的难题，南京航空航天大学刘小飞团队联合卢森堡大学Alexandre Tkatchenko等研究者改进多体色散范德华方法，首次实现了范德华力矩的微观理论描述。
该研究的核心创新点在于采用微观尺度方法首次实现了对范德华力矩的准确描述。团队通过改进后的多体色散范德华方法，在微观方法重现了连续介质理论所预测的范德华力矩-扭转角、范德华力矩-间距、范德华力矩-介电各向异性系数关系等基本规律。该工作克服了对势叠加近似、范德华泛函等微观方法无法描述范德华力矩的困难；阐明了涨落偶极矩间的多体耦合是范德华力矩的微观起源；较连续介质理论的优势在于反映各类纳尺度原子细节对范德华力矩的影响，有助于探索大量潜在各向异性纳尺度系统范德华力矩效应。
图1. 采用MBD方法、pairwise理论和D3方法计算得到的黑磷圆盘之间的范德华力矩
对比结果显示：对于由介电各项异性材料诱导的范德华力矩，pairwise理论和D3方法并不能正确描述范德华力矩，而改进后的MBD方法成功捕捉到了范德华力矩。对比黑磷圆盘与石墨烯圆盘的结果，可以证实MBD方法捕捉到的力矩是介电各向异性诱导产生的。同时也揭示了涨落偶极矩间的多体耦合是范德华力矩的微观起源。
图2. 黑磷圆盘的面积与间距对能量及范德华力矩的影响规律
图2结果显示，力矩M与旋转角θ呈现出M ∝ −sin(2θ)的关系。根据不同尺寸的结果[图2(c), 图2 (d)]，力矩-接触面积的线性关系在各向异性二维材料中再现。这是由于二维材料，除了边缘周围的原子外，每个原子之间的层间力贡献可以被视为相同，导致力-接触面积的线性关系。此外，由于单层黑磷的原子厚度，力矩衰减律在10 Å间距时为d−2.1；当间距增大到30Å时变为d−3.9。
图3 范德华力矩中的原子力分布
为进一步研究原子力对范德华力矩的贡献，研究团队首次通过多体色散方法揭示了介电各向异性对原子的作用力的影响。研究结果显示：一个原子受力大小不仅与该原子的位置有关，还会受到整个相互作用对象的影响。因此，二维材料中的范德华力矩，本质上来源于原子力的非局域分布，而不是简单的局域原子对相互作用。此外，在小间距下会出现明显的纳米尺度效应，原子力分布开始出现振荡、反转等复杂行为，这些现象与黑磷的原子级起伏结构直接相关，这也说明连续介质近似在纳米尺度下会忽视重要的原子细节。
论文第一作者为南京航空航天大学航空学院博士研究生寇泽普，刘小飞副教授、Alexandre Tkatchenko教授与张助华教授为论文通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c12390?goto=supporting-info
