Nature重磅：西安交大首次揭示二維材料摩擦演化之謎

【引語】

北京時間2016年11月24日，《Nature》雜志以“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，進而可從界面的“質”而不僅是“量”上來調控其摩擦性能。這項研究成果是由西安交通大學金屬材料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（通訊作者）的指導下，與清華大學航天航空學院工程力學系李群仰副教授（通訊作者）和美國賓夕法尼亞大學Robert W. Carpick教授（通訊作者）等人合作完成。

通訊作者：李巨教授（左）、李群仰副教授（中）和Robert W. Carpick教授（右）

【成果簡介】

自2004年石墨烯首次被制備以來，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，成為科學家們研究的熱點。然而盡管經歷了多年的研究，石墨烯的一些基本性質仍然沒有被很好地理解，例如當物體沿著其表面滑動時石墨烯的性質和行為方式。對于以石墨烯為代表的二維材料摩擦過程中展現出的演化行為，迄今為止傳統的微觀摩擦理論尚未能給出一個合理的解釋。

研究人員通過原子模擬，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和整個界面咬合作用的協同性。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。

【圖文導讀】

圖1 300K溫度下Si尖端在石墨烯/Si襯底表面上滑動時的模型和摩擦行為

（a）附著在Si襯底上的石墨烯；
（b，c）單層石墨烯（b）和襯底（c）的表面形貌；
（d）Si針尖與石墨烯接觸進行摩擦測試；
（e，f）與針尖接觸2ns后單層石墨烯（b）和襯底（c）的形貌；
（g）展現單層（1L）和多層（2L-4L）石墨烯/Si襯底上的粘著-滑動行為的力學曲線；
（h）平均摩擦力（黑色）和接觸面積（灰色）隨石墨烯層數的變化。

圖2 單層石墨烯/Si襯底上的原子尺度摩擦力的演變

（a-d）圖1（g）中標記的四個時刻相應的摩擦力分布；
（e）該四個時刻的原子尺度摩擦力的柱狀圖；
（f）該四個時刻的摩擦力分布的峭度值，內圖為用來計算峭度的力學分布圖。

圖3 300K下單層懸浮石墨烯的粘著/滑動摩擦模擬

（a）模擬模型，分別有褶皺數不同的三個石墨烯樣品G1，G2，G3；
（b）在三個樣品上滑動產生的側向摩擦力；
（c）滑動時針尖-石墨烯接觸面積的變化。

圖4 單層懸浮石墨烯上的原子尺度摩擦力的演變

（a-c）圖3（b）中三個樣品的摩擦力分布對比；
（d）該三個樣品的原子尺度摩擦力的柱狀圖；
（e）該三個樣品的原子尺度摩擦力分布的峭度值。

【總結】

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。此外，作為新一代的固體潤滑劑，石墨烯在諸多方面都表現出優于傳統材料的特性，本工作對于石墨烯在摩擦和磨損領域更為有效的應用也提供了相應的理論支持。

【通訊作者簡介】

李巨，長江學者講座教授，麻省理工學院終身正教授。西安交通大學特聘教授(Adjunct Professor)。原子和電子尺度材料模擬專家。SCI 引用19221 余次，H因子69（2016年11月數據)。主要研究內容：計算材料學以及納米材料研究、材料模擬基礎方法（電子結構、原子層次模擬）、多尺度多物理模擬、以及新型結構和功能材料的理論研究。（資料來源：西安交通大學前沿科學技術研究院官網；李巨教授課題組網頁：http://li.mit.edu/ ）

李群仰，清華大學航天航空學院工程力學系副研究員。1997年進入清華大學工程力學系學習，2001年獲學士學位，2003年獲固體力學專業碩士學位。2003年進入美國布朗大學工程系學習，2008年獲固體力學專業博士學位并于同年加入美國賓夕法尼亞大學機械工程與應用力學系先后任Postdoctoral Researcher 和Research Scientist。2011年入選中組部首批“青年千人計劃”，加入清華大學工程力學系，任副研究員。曾任美國摩擦及潤滑工程師學會青年摩擦學家委員會常務秘書（2009-2011），目前為中國力學學會對外交流與合作工作委員會委員，及國際期刊《Review of Scientific Instruments》編委。（資料來源：清華大學微納米力學與多學科交叉創新研究中心官網）

Robert W. Carpick，美國賓夕法尼亞大學機械工程與應用力學系教授，同時雙聘于賓夕法尼亞大學材料科學與工程系。1991年在多倫多大學獲學士學位，1997年在加州大學伯克利分校獲物理學博士學位。（Robert W. Carpick教授課題組網頁：http://carpick.seas.upenn.edu/）

文獻鏈接: The evolving quality of frictional contact with graphene (Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature20135)

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