齿轮是人类已知最古老的设备之一,在未来的纳米技术中,对于具有传动系统的机器和设备而言,齿轮更是必不可少的零部件,然而在纳米尺度设计齿轮还面临着巨大的挑战。将纳米材料按照一定的顺序和方向堆垛形成的结构,被称为范德瓦耳斯异质结构。该材料因层间拥有较弱范德华相互作用、层内具有较强面内键合的特点,受到各界广泛关注。本文提出了一种利用纳米结构之间的长程相互作用来传输机械运动的思路。具体的研究内容和结论如下:1.首先,我们利用分子静力学研究了双层石墨烯的定向运动。模拟结果显示,双层石墨烯其中一层的定向滑动可以引起相邻层石墨烯的正交运动,从而产生齿轮传动的效果。而这种垂直传动的效果很大程度上取决于两层石墨烯之间的相对晶格方向。此外,我们使用分子动力学模拟研究了温度对于传动的影响。结果表明,对于无限大的双层石墨烯,不同温度下的传动比几乎与静力学研究的结果一致。根据石墨烯的这种定向传动行为,我们提出可以利用范德华力在纳米结构间传递运动。这些结果可被用于设计基于二维纳米材料的齿轮构件。2.更进一步,我们将研究扩展到更为实用的石墨烯纳米带,我们可以发现运动规律不仅由其晶向角决定,而且纳米带的边缘形状对这种传动现象也具有重要影响。此外,对于石墨烯纳米带而言,温度对传动比的影响较为明显。通过VMD可视化软件我们可以看到,随着温度升高,石墨烯纳米带的表面波动更加剧烈。将此结果和无限大石墨烯的相比较,我们推测表面波动效应是由于边缘效应造成的,所以建议通过边缘钝化改造来消除这种影响。3.通过势能分布图,我们得出运动轨迹可以由势能分布图的能量最优路径得到明确解释。两种模型的运动轨迹均与势能分布图的能量最优路径相吻合。能量最优路径是利用最速下降法寻找势能梯度下降最快的方向,然后依次连接起来。如果能量最优路径是唯一的,那么速度不会影响运动轨迹。我们相信,我们的研究结果将为利用纳米结构之间范德华相互作用的纳米器件设计提供新的思路和借鉴,对具有极端表面体积比的纳米材料机械运动系统有着重要的意义。