清华航院李群仰课题组等揭示超薄二维材料摩擦演化之谜

2018-10-10 18:51:27

清华新闻网11月25日电近代摩擦学研究表明，三维固体材料在无磨损情况下的摩擦行为往往与界面真实接触面积的大小直接相关。而清华大学航天航空学院李群仰课题组与合作者于11月24日在《自然》在线发表题为“石墨烯摩擦接触界面的状态演化”（The evolving quality of frictional contact with graphene）表明，界面摩擦对于二维材料存在独特的机理：二维材料由于其超薄的几何特性和超大的柔性，能够通过改变自身构型来影响接触界面的钉扎状态，进而可从界面的“质”而不仅是“量”上来调控其摩擦性能。

自2004年石墨烯首次被制备以来，以石墨烯为代表的二维材料因其独特的电、磁、热、力学等性质，成为学术界研究热点。前期实验表明，二维材料尽管厚度仅有若干分子层，但却具有与宏观润滑剂相媲美的优异润滑性能，并且其摩擦行为十分奇特：对于铺展在低粘附基底上的二维材料，其摩擦力与分子层数相关，层数越少摩擦力越大；而且，滑动中界面摩擦力会随着先滑移距离的增加而增大，呈现出一个明显的强化阶段，并最终在一定滑移距离后会演化到一个稳态。

石墨烯的奇特摩擦行为引起人们对其内在物理机制的广泛关注和讨论。对于摩擦与分子层数间的依赖性，一般认为其源于二维材料的粘着褶皱效应（puckering effect）：即在摩擦过程中由于样品层数不同导致表面变形能力的差异，进而影响真实接触面积以及最终的摩擦阻力。而对二维材料摩擦过程中展现出的演化行为，迄今传统的微观摩擦理论目前为止始终未能给出一个合理的解释。

通过原子模拟，李群仰课题组及其合作研究团队首次重现了石墨烯摩擦行为的核心现象，并提出了二维材料可能存在的一种全新的摩擦演化及调控机制。新的研究表明：在接触摩擦过程中，石墨烯由于层数不同，确实会引起表面变形能力的差异，进而影响真实的接触面积；但这种单纯的粘着褶皱效应对界面摩擦力的影响在部分情况下很可能十分有限。通过对原子尺度界面作用力的细致统计分析，研究人员发现主导界面摩擦（包括其瞬态演化）行为的关键因素是界面的咬合“质量”，即上下表面原子间的局部钉扎强度（pinning capability）和整个界面咬合作用的协同性（commensurability）。在滑动过程中，石墨烯由于具有超强的面外变形能力，能够动态地调整其构型从而改变与压头原子之间紧密接触和协同钉扎的程度。正是这种特殊的接触界面 “质量”调控能力，使得石墨烯在摩擦中具有奇特的演化效应以及层数依赖性。基于此机理，研究团队还提出并论证了通过对二维材料施加可控变形来实现对表面摩擦行为大范围调控的新思路。

原子模拟模型和结果：(a) 探针在铺展于粗糙基底上石墨烯滑动的模型；(b) 石墨烯在表面作用下粘着褶皱的形貌； (c) 滑动过程中的摩擦力变化曲线； (d) 滑动界面原子尺度作用力在不同阶段的分布图。

该研究工作首次阐述了石墨烯摩擦演化行为的机理，相关“接触质量”理论对于其它拥有超柔力学特性的二维材料也具有普适性。这是李群仰博士课题组继2010年4月在《科学》期刊“原子级超薄二维材料摩擦特性”，2011年11月在《自然》期刊发表“源于键合作用的界面演化及状态与速率相关摩擦定律的物理机理”， 2012年10月在《自然·材料》发表“纳米尺度改性石墨表面的负摩擦系数行为”，和2016年10月在《自然·通讯》发表“通过莫尔云纹超晶格实现石墨烯表面可靠的超低摩擦”四项成果之后，在固体表面摩擦微观机制领域的又一重大突破。

该工作是清华大学航天航空学院李群仰副教授与美国麻省理工大学李巨教授、宾夕法尼亚大学罗伯特·卡皮克（Robert Carpick）教授合作，指导西安交通大学金属材料强度国家重点实验室孙军课题组的李苏植博士完成，参与该工作的还有西安交通大学的丁向东教授和孙军教授、德国卡尔斯鲁厄理工大学彼特·格布赫（Peter Gumbsch）教授等。论文的第一作者为李苏植博士，论文的通讯作者为李群仰副教授、罗伯特·卡皮克教授和李巨教授。该研究工作得到了科技部973计划项目、国家自然科学基金项目、青年千人计划等项目的资助。

论文链接：

http://www.nature.com/nature/journal/v539/n7630/full/nature20135.html

清华航院李群仰课题组等揭示超薄二维材料摩擦演化之谜

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