清華大學鄭泉水教授Nature Mater.: 石墨和六方氮化硼層狀異質結的微米尺度超潤滑

【引言】

摩擦和磨損是機械系統里能量損失和部件失效的兩個主要原因。傳統減少摩擦的方法包括液體潤滑劑，會在強約束力和外界極端環境（高溫、化學污染、真空等）下失效。結構超潤滑為減少摩擦和磨損提供了一種可行的方法，這種方法主要依賴于有效地減少不對稱剛性晶體接觸的側向力。科學家第一次發現均質石墨中的納米結構是在十年前。經過多年的研究，結構超潤滑在廣泛應用的巨大阻礙主要是均質堅硬界面的各向異性。即使處于一個不對稱的超低摩擦的狀態，他們也會通過旋轉走向一致的高摩擦的狀態。這個問題的嚴重程度隨著接觸尺寸的不同而不同。

【成果簡介】

近日，清華大學的鄭泉水教授（通訊作者）課題組在微觀晶體異質結中實現了結構超潤滑，為進一步實現宏觀下的超潤滑奠定了一定的基礎。石墨和六方氮化硼之間的界面實驗結果證明在外部負載下保持一致的接觸，結構超潤滑存在。在異質結中所觀察到的摩擦各向異性要比在其均質部分測到的數據小幾個數量級。原子模擬也揭示了這兩種情況下的摩擦機理來自兩種完全不同的動態狀態。該成果以題為"Robust Microscale Superlubricity in Graphite/Hexagonal Boron Nitride Layered Heterojunctions"發表在Nature Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.?實驗裝置

(a).圖示用來測量石墨和六方氮化硼之間摩擦力的實驗裝置

(b).?石墨/六方氮化硼異質結的制作過程

圖2. 石墨/六方氮化硼異質結摩擦力的旋轉各向異性

圖3. 石墨/六方氮化硼異質結摩擦力旋轉各向異性的模擬

(a).圖示模擬建模

(b).石墨/六方氮化硼異質結的模擬摩擦力和均質部分的模擬摩擦力

(c,d).角度對石墨烯COM運動中的摩擦壓力的影響

(e).?石墨/六方氮化硼異質結摩擦力的角度依賴

圖4. 外界環境對石墨/六方氮化硼異質結表面摩擦力的影響

(a).不同滑動速度下，負載對石墨/六方氮化硼異質結節界面摩擦力的影響

(b).不同負載下，石墨/六方氮化硼異質結節界面摩擦力對滑動速度的影響

【小結】

在這個工作中，作者通過實驗在微觀晶體異質結中實現了結構超潤滑，為進一步實現宏觀下的超潤滑奠定了一定的基礎。石墨和六方氮化硼之間的界面實驗結果證明在外部負載下保持一致的接觸，結構超潤滑存在。在異質結中所觀察到的摩擦各向異性要比在其均質部分測到的數據小幾個數量級。原子模擬也揭示了這兩種情況下的摩擦機理來自兩種完全不同的動態狀態。

文獻鏈接：Robust Microscale Superlubricity in Graphite/Hexagonal Boron Nitride Layered Heterojunctions?(Nat. Mater., 2018, DOI: 10. 1038/s41563-018-0144-z)

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