西交大學(xué)者揭示二維材料摩擦演化之謎

西交大學(xué)者揭示二維材料摩擦演化之謎

近代摩擦學(xué)研究表明，三維固體材料在無(wú)磨損情況下的摩擦行為往往與界面真實(shí)接觸面積大小直接相關(guān)。而《自然》雜志于11月24日以“The Evolving Quality of Frictional Contact with Graphene”為題在線發(fā)表的一項(xiàng)研究成果表明，界面摩擦對(duì)于二維材料存在獨(dú)特的機(jī)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(guò)改變自身構(gòu)型來(lái)影響接觸界面的釘扎狀態(tài)，進(jìn)而從界面的“質(zhì)”而不僅是“量”上來(lái)調(diào)控其摩擦性能。

該項(xiàng)工作是由西安交通大學(xué)金屬?gòu)?qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫軍教授課題組的李蘇植博士，在美國(guó)麻省理工學(xué)院李巨教授的指導(dǎo)下，與清華大學(xué)航天航空學(xué)院李群仰副教授和美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Robert W.Carpick教授合作完成。參與該工作的還有西安交通大學(xué)的丁向東教授和孫軍教授，德國(guó)卡爾斯魯厄理工大學(xué)的Peter Gumbsch教授等。

自2004年首次被制備以來(lái)，以石墨烯為代表的二維材料因其獨(dú)特的電、磁、熱、力學(xué)等性質(zhì)，成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。前期實(shí)驗(yàn)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(rùn)滑劑相媲美的優(yōu)異潤(rùn)滑性能，并且其摩擦行為十分奇特：對(duì)于鋪展在低粘附基底上的二維材料，其摩擦力與分子層數(shù)相關(guān)，層數(shù)越少摩擦力越大；而且，滑動(dòng)中界面摩擦力會(huì)先隨著滑移距離的增加而增大，呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的強(qiáng)化階段，并最終在一定滑移距離后演化到一個(gè)穩(wěn)態(tài)。石墨烯的奇特摩擦行為引起人們對(duì)其內(nèi)在物理機(jī)制的廣泛關(guān)注和討論。摩擦對(duì)分子層數(shù)的依賴性，一般源于二維材料的粘著褶皺效應(yīng)(puckering effect)，即在摩擦過(guò)程中由于樣品層數(shù)不同導(dǎo)致表面變形能力的差異，進(jìn)而影響真實(shí)接觸面積以及最終的摩擦阻力。而對(duì)二維材料摩擦過(guò)程中展現(xiàn)出的演化行為，迄今傳統(tǒng)的微觀摩擦理論未能給出一個(gè)合理的解釋。

通過(guò)原子模擬，該合作研究團(tuán)隊(duì)首次重現(xiàn)了石墨烯摩擦行為的所有核心現(xiàn)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(diào)控機(jī)制。新的研究表明：在接觸摩擦過(guò)程中，石墨烯由于層數(shù)不同，確實(shí)會(huì)引起表面變形能力的差異，進(jìn)而影響真實(shí)的接觸面積；但這種單純的粘著褶皺效應(yīng)對(duì)界面摩擦力的影響在部分情況下很可能十分有限。通過(guò)對(duì)原子尺度界面作用力做細(xì)致的統(tǒng)計(jì)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)主導(dǎo)界面摩擦(包括其瞬態(tài)演化)行為的關(guān)鍵因素是界面的咬合“質(zhì)量”，即上下表面原子間的局部釘扎強(qiáng)度(Pinning Capability)和整個(gè)界面咬合作用的協(xié)同性(Commensurability)。

在滑動(dòng)過(guò)程中，石墨烯由于具有超強(qiáng)的面外變形能力，能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整其構(gòu)型從而改變與壓頭原子之間緊密接觸和協(xié)同釘扎的程度。正是這種特殊的“接觸質(zhì)量”調(diào)控能力，使得石墨烯在摩擦中具有奇特的演化效應(yīng)以及層數(shù)依賴性。基于此機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)還提出并論證了通過(guò)對(duì)二維材料施加可控變形來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)表面摩擦行為大范圍調(diào)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(jī)理，相關(guān)的“接觸質(zhì)量”理論對(duì)于其它擁有超柔力學(xué)特性的二維材料也具有普適性，同時(shí)對(duì)進(jìn)一步理解固體界面摩擦行為的物理機(jī)制具有重要的指導(dǎo)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(dǎo)師。享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼、中央和山西省聯(lián)系的高級(jí)專家，國(guó)家杰出青年基金獲得者。曾獲2000年教育部跨世紀(jì)優(yōu)秀人才、2003年全國(guó)回國(guó)留學(xué)人員先進(jìn)個(gè)人、2014年全國(guó)杰出專業(yè)技術(shù)人才等榮譽(yù)，所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)獲2005年山西省高等學(xué)校優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、2009年教育部“長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”。先后承擔(dān)國(guó)家“973”計(jì)劃課題、國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目、科技部國(guó)際合作項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目(納米專項(xiàng))、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金中日國(guó)際合作交流項(xiàng)目等國(guó)家級(jí)和省部級(jí)項(xiàng)目38項(xiàng)。以第一完成人獲2014年國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、2009年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)一、二等獎(jiǎng)10項(xiàng)；發(fā)表論文371篇，他引2000余次；授權(quán)發(fā)明專利162項(xiàng)；編著7部。主要致力于利用電子顯微學(xué)研究超導(dǎo)、納米、半導(dǎo)體光電等新材料中界面科學(xué)與工程方面的研究，研究方向包括：發(fā)光二極管、激光二極管和有機(jī)發(fā)光二極管等新型光電薄膜材料及器件；納米材料及其復(fù)合功能纖維； 洋蔥狀富勒烯等材料的界面結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系研究。

特約撰稿人郭俊杰

郭俊杰：男，1980年生，教授，博士生導(dǎo)師。山西省“百人計(jì)劃”特聘專家，中國(guó)電子顯微鏡學(xué)會(huì)理事。2010年獲日本東北大學(xué)博士學(xué)位，2011～2014年在美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行博士后研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃、人社部留學(xué)人員科技活動(dòng)項(xiàng)目擇優(yōu)資助等科研項(xiàng)目。在國(guó)際主流學(xué)術(shù)期刊NatureCommunications,Small,ActaMaterialia,ApplPhysLett等發(fā)表論文50余篇，被引用500余次。曾獲青年三晉學(xué)者(2016)、山西省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人(2015)、入選山西省高?！?31”領(lǐng)軍人才工程、山西省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)(2015)等獎(jiǎng)勵(lì)與榮譽(yù)。主要研究方向：尖端材料超微觀結(jié)構(gòu)解析、石墨烯/金屬?gòu)?fù)合材料功能化設(shè)計(jì)。

特約撰稿人楊曉偉

楊曉偉：男，1982年生，教授，博士生導(dǎo)師?？萍疾壳嗄?73首席科學(xué)家。2011年獲得上海交通大學(xué)博士學(xué)位，2009～2014年在澳大利亞蒙納什大學(xué)先后任研究助理和博士后研究員，2014年底受聘于同濟(jì)大學(xué)。主要從事納米碳及二維材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控及其電化學(xué)能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換應(yīng)用研究。已在國(guó)際期刊發(fā)表學(xué)術(shù)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(quán)國(guó)際專利一項(xiàng)。代表學(xué)術(shù)成果：(1)提出“易揮發(fā)-難揮發(fā)雙重溶劑結(jié)構(gòu)控制”用于宏觀石墨烯堆積狀態(tài)和孔結(jié)構(gòu)調(diào)控的新思想，為高堆積密度電化學(xué)儲(chǔ)能器件的設(shè)計(jì)提供了新的思路，并發(fā)表在Science(第一作者，2013, 341, 534-537)上，截至2016年10月被引418次；(2)聯(lián)合石墨烯和液體間溶劑化等效應(yīng)，解決了石墨烯宏觀應(yīng)用過(guò)程中微觀片層的團(tuán)聚難題，構(gòu)筑出可超快速充放電和高質(zhì)量比電容的水凝膠薄膜電極，并發(fā)表在AdvMater,AngewChemIntEd和EnergyEnvironSci上。

特約撰稿人劉先國(guó)

劉先國(guó)：男，1981年生，教授，碩士生導(dǎo)師。2009年獲得中國(guó)科學(xué)院金屬研究所博士學(xué)位。主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、香港RGC項(xiàng)目以及歸國(guó)人員科研啟動(dòng)項(xiàng)目各一項(xiàng)，參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)課題。發(fā)表SCI論文90余篇，他引次數(shù)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(kuò)展版ESI高被引論文。申請(qǐng)中國(guó)國(guó)家專利20項(xiàng)，現(xiàn)授權(quán)13項(xiàng)。主要從事電磁納米功能材料的合成研究、能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)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(yīng)用研究。

特約撰稿人呂 偉

呂 偉：男，1984年生，講師，碩士生導(dǎo)師。深圳市地方級(jí)領(lǐng)軍人才。2012年獲得天津大學(xué)化工學(xué)院博士學(xué)位，2012年8月～2015年8月，在清華大學(xué)深圳研究生院任博士后，2015年9月任清華大學(xué)深圳研究生院講師。獲天津市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)(排名第二)、英國(guó)碳素學(xué)會(huì)布賴恩-凱利獎(jiǎng),入圍Reaxys博士獎(jiǎng)和Carbon雜志Excellence in Review Award等學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)。在ACSNano,AdvMater,AdvFunMater,AdvEnergyMater,EnergyEnvironSci,ChemCommun等國(guó)際著名期刊雜志發(fā)表論文70余篇，獲授權(quán)專利20余項(xiàng)。