清華航院李群仰課題組等揭示超薄二維材料摩擦演化之謎
清華新聞網(wǎng)11月25日電 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)接觸面積的大小直接相關(guān)。而清華大學(xué)航天航空學(xué)院李群仰課題組與合作者于11月24日在《自然》在線(xiàn)發(fā)表題為“石墨烯摩擦接觸界面的狀態(tài)演化”（The evolving quality of frictional contact with graphene）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)而可從界面的“質(zhì)”而不僅是“量”上來(lái)調(diào)控其摩擦性能。
自2004年石墨烯首次被制備以來(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)隨著先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會(huì)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。對(duì)于摩擦與分子層數(shù)間的依賴(lài)性，一般認(rèn)為其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)的微觀摩擦理論目前為止始終未能給出一個(gè)合理的解釋。
通過(guò)原子模擬，李群仰課題組及其合作研究團(tuán)隊(duì)首次重現(xiàn)了石墨烯摩擦行為的核心現(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的細(xì)致統(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界面 “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(lài)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。
原子模擬模型和結(jié)果：(a) 探針在鋪展于粗糙基底上石墨烯滑動(dòng)的模型；(b) 石墨烯在表面作用下粘著褶皺的形貌； (c) 滑動(dòng)過(guò)程中的摩擦力變化曲線(xiàn)； (d) 滑動(dòng)界面原子尺度作用力在不同階段的分布圖。
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)“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。這是李群仰博士課題組繼2010年4月在《科學(xué)》期刊“原子級(jí)超薄二維材料摩擦特性”，2011年11月在《自然》期刊發(fā)表“源于鍵合作用的界面演化及狀態(tài)與速率相關(guān)摩擦定律的物理機(jī)理”， 2012年10月在《自然·材料》發(fā)表“納米尺度改性石墨表面的負(fù)摩擦系數(shù)行為”，和2016年10月在《自然·通訊》發(fā)表“通過(guò)莫爾云紋超晶格實(shí)現(xiàn)石墨烯表面可靠的超低摩擦”四項(xiàng)成果之后，在固體表面摩擦微觀機(jī)制領(lǐng)域的又一重大突破。
該工作是清華大學(xué)航天航空學(xué)院李群仰副教授與美國(guó)麻省理工大學(xué)李巨教授、賓夕法尼亞大學(xué)羅伯特·卡皮克（Robert Carpick）教授合作，指導(dǎo)西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫軍課題組的李蘇植博士完成，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)彼特·格布赫（Peter Gumbsch）教授等。論文的第一作者為李蘇植博士，論文的通訊作者為李群仰副教授、羅伯特·卡皮克教授和李巨教授。該研究工作得到了科技部973計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
http://www.nature.com/nature/journal/v539/n7630/full/nature20135.html
相關(guān)論文鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/328/5974/76
http://www.nature.com/nature/journal/v480/n7376/full/nature10589.html
http://www.nature.com/nmat/journal/v11/n12/full/nmat3452.html
http://www.nature.com/articles/ncomms13204
供稿：航天航空學(xué)院 編輯：悸寔 襄樺 華山
