西交大學者揭示二維材料摩擦演化之謎

西交大學者揭示二維材料摩擦演化之謎

近代摩擦學研究表明，三維固體材料在無磨損情況下的摩擦行為往往與界面真實接觸面積大小直接相關。而《自然》雜志于11月24日以“The Evolving Quality of Frictional Contact with Graphene”為題在線發表的一項研究成果表明，界面摩擦對于二維材料存在獨特的機理：二維材料由于其超薄的幾何特性和超大的柔性，能夠通過改變自身構型來影響接觸界面的釘扎狀態，進而從界面的“質”而不僅是“量”上來調控其摩擦性能。

該項工作是由西安交通大學金屬強度國家重點實驗室孫軍教授課題組的李蘇植博士，在美國麻省理工學院李巨教授的指導下，與清華大學航天航空學院李群仰副教授和美國賓夕法尼亞大學Robert W.Carpick教授合作完成。參與該工作的還有西安交通大學的丁向東教授和孫軍教授，德國卡爾斯魯厄理工大學的Peter Gumbsch教授等。

自2004年首次被制備以來，以石墨烯為代表的二維材料因其獨特的電、磁、熱、力學等性質，成為學術界研究的熱點。前期實驗表明，二維材料盡管厚度僅有若干分子層，但卻具有與宏觀潤滑劑相媲美的優異潤滑性能，并且其摩擦行為十分奇特：對于鋪展在低粘附基底上的二維材料，其摩擦力與分子層數相關，層數越少摩擦力越大；而且，滑動中界面摩擦力會先隨著滑移距離的增加而增大，呈現出一個明顯的強化階段，并最終在一定滑移距離后演化到一個穩態。石墨烯的奇特摩擦行為引起人們對其內在物理機制的廣泛關注和討論。摩擦對分子層數的依賴性，一般源于二維材料的粘著褶皺效應(puckering effect)，即在摩擦過程中由于樣品層數不同導致表面變形能力的差異，進而影響真實接觸面積以及最終的摩擦阻力。而對二維材料摩擦過程中展現出的演化行為，迄今傳統的微觀摩擦理論未能給出一個合理的解釋。

通過原子模擬，該合作研究團隊首次重現了石墨烯摩擦行為的所有核心現象，并提出了二維材料可能存在的一種全新的摩擦演化及調控機制。新的研究表明：在接觸摩擦過程中，石墨烯由于層數不同，確實會引起表面變形能力的差異，進而影響真實的接觸面積；但這種單純的粘著褶皺效應對界面摩擦力的影響在部分情況下很可能十分有限。通過對原子尺度界面作用力做細致的統計分析，研究人員發現主導界面摩擦(包括其瞬態演化)行為的關鍵因素是界面的咬合“質量”，即上下表面原子間的局部釘扎強度(Pinning Capability)和整個界面咬合作用的協同性(Commensurability)。

在滑動過程中，石墨烯由于具有超強的面外變形能力，能夠動態地調整其構型從而改變與壓頭原子之間緊密接觸和協同釘扎的程度。正是這種特殊的“接觸質量”調控能力，使得石墨烯在摩擦中具有奇特的演化效應以及層數依賴性。基于此機理，研究團隊還提出并論證了通過對二維材料施加可控變形來實現對表面摩擦行為大范圍調控的新思路。

該研究工作首次闡述了石墨烯摩擦演化行為的機理，相關的“接觸質量”理論對于其它擁有超柔力學特性的二維材料也具有普適性，同時對進一步理解固體界面摩擦行為的物理機制具有重要的指導意義。

From http://mbm.xjtu.edu.cn/zh/news/research-news/2016/11/24-1015.html

專欄特約編輯許并社

許并社：男，1955年生，教授，博士生導師。享受國務院政府特殊津貼、中央和山西省聯系的高級專家，國家杰出青年基金獲得者。曾獲2000年教育部跨世紀優秀人才、2003年全國回國留學人員先進個人、2014年全國杰出專業技術人才等榮譽，所領導的團隊獲2005年山西省高等學校優秀創新團隊、2009年教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”。先后承擔國家“973”計劃課題、國家杰出青年基金項目、科技部國際合作項目、國家自然科學基金重大研究計劃項目(納米專項)、國家自然科學基金項目、國家自然科學基金中日國際合作交流項目等國家級和省部級項目38項。以第一完成人獲2014年國家科學技術進步二等獎1項、2009年國家技術發明二等獎1項、省部級一、二等獎10項；發表論文371篇，他引2000余次；授權發明專利162項；編著7部。主要致力于利用電子顯微學研究超導、納米、半導體光電等新材料中界面科學與工程方面的研究，研究方向包括：發光二極管、激光二極管和有機發光二極管等新型光電薄膜材料及器件；納米材料及其復合功能纖維； 洋蔥狀富勒烯等材料的界面結構與性能之間的關系研究。

特約撰稿人郭俊杰

郭俊杰：男，1980年生，教授，博士生導師。山西省“百人計劃”特聘專家，中國電子顯微鏡學會理事。2010年獲日本東北大學博士學位，2011～2014年在美國橡樹嶺國家實驗室進行博士后研究。主持國家自然科學基金、山西省基礎研究計劃、人社部留學人員科技活動項目擇優資助等科研項目。在國際主流學術期刊NatureCommunications,Small,ActaMaterialia,ApplPhysLett等發表論文50余篇，被引用500余次。曾獲青年三晉學者(2016)、山西省學術技術帶頭人(2015)、入選山西省高校“131”領軍人才工程、山西省科學技術獎二等獎(2015)等獎勵與榮譽。主要研究方向：尖端材料超微觀結構解析、石墨烯/金屬復合材料功能化設計。

特約撰稿人楊曉偉

楊曉偉：男，1982年生，教授，博士生導師。科技部青年973首席科學家。2011年獲得上海交通大學博士學位，2009～2014年在澳大利亞蒙納什大學先后任研究助理和博士后研究員，2014年底受聘于同濟大學。主要從事納米碳及二維材料的結構調控及其電化學能量存儲和轉換應用研究。已在國際期刊發表學術論文34篇，被SCI引用1688次，其中單篇論文最高引用率為467次，獲授權國際專利一項。代表學術成果：(1)提出“易揮發-難揮發雙重溶劑結構控制”用于宏觀石墨烯堆積狀態和孔結構調控的新思想，為高堆積密度電化學儲能器件的設計提供了新的思路，并發表在Science(第一作者，2013, 341, 534-537)上，截至2016年10月被引418次；(2)聯合石墨烯和液體間溶劑化等效應，解決了石墨烯宏觀應用過程中微觀片層的團聚難題，構筑出可超快速充放電和高質量比電容的水凝膠薄膜電極，并發表在AdvMater,AngewChemIntEd和EnergyEnvironSci上。

特約撰稿人劉先國

劉先國：男，1981年生，教授，碩士生導師。2009年獲得中國科學院金屬研究所博士學位。主持國家自然科學基金項目、安徽省自然科學基金項目、香港RGC項目以及歸國人員科研啟動項目各一項，參與多項國家級課題。發表SCI論文90余篇，他引次數1500余次，H因子為25，其中兩篇論文入選ESI高被引論文，兩篇論文入選擴展版ESI高被引論文。申請中國國家專利20項，現授權13項。主要從事電磁納米功能材料的合成研究、能量存儲轉化功能材料的制備及其在電磁吸收和鋰離子電池方面的應用研究。

特約撰稿人呂 偉

呂 偉：男，1984年生，講師，碩士生導師。深圳市地方級領軍人才。2012年獲得天津大學化工學院博士學位，2012年8月～2015年8月，在清華大學深圳研究生院任博士后，2015年9月任清華大學深圳研究生院講師。獲天津市自然科學一等獎(排名第二)、英國碳素學會布賴恩-凱利獎,入圍Reaxys博士獎和Carbon雜志Excellence in Review Award等學術獎勵。在ACSNano,AdvMater,AdvFunMater,AdvEnergyMater,EnergyEnvironSci,ChemCommun等國際著名期刊雜志發表論文70余篇，獲授權專利20余項。