西交大学者揭示二维材料摩擦演化之谜

西交大学者揭示二维材料摩擦演化之谜

近代摩擦学研究表明，三维固体材料在无磨损情况下的摩擦行为往往与界面真实接触面积大小直接相关。而《自然》杂志于11月24日以“The Evolving Quality of Frictional Contact with Graphene”为题在线发表的一项研究成果表明，界面摩擦对于二维材料存在独特的机理：二维材料由于其超薄的几何特性和超大的柔性，能够通过改变自身构型来影响接触界面的钉扎状态，进而从界面的“质”而不仅是“量”上来调控其摩擦性能。

该项工作是由西安交通大学金属强度国家重点实验室孙军教授课题组的李苏植博士，在美国麻省理工学院李巨教授的指导下，与清华大学航天航空学院李群仰副教授和美国宾夕法尼亚大学Robert W.Carpick教授合作完成。参与该工作的还有西安交通大学的丁向东教授和孙军教授，德国卡尔斯鲁厄理工大学的Peter Gumbsch教授等。

自2004年首次被制备以来，以石墨烯为代表的二维材料因其独特的电、磁、热、力学等性质，成为学术界研究的热点。前期实验表明，二维材料尽管厚度仅有若干分子层，但却具有与宏观润滑剂相媲美的优异润滑性能，并且其摩擦行为十分奇特：对于铺展在低粘附基底上的二维材料，其摩擦力与分子层数相关，层数越少摩擦力越大；而且，滑动中界面摩擦力会先随着滑移距离的增加而增大，呈现出一个明显的强化阶段，并最终在一定滑移距离后演化到一个稳态。石墨烯的奇特摩擦行为引起人们对其内在物理机制的广泛关注和讨论。摩擦对分子层数的依赖性，一般源于二维材料的粘着褶皱效应(puckering effect)，即在摩擦过程中由于样品层数不同导致表面变形能力的差异，进而影响真实接触面积以及最终的摩擦阻力。而对二维材料摩擦过程中展现出的演化行为，迄今传统的微观摩擦理论未能给出一个合理的解释。

通过原子模拟，该合作研究团队首次重现了石墨烯摩擦行为的所有核心现象，并提出了二维材料可能存在的一种全新的摩擦演化及调控机制。新的研究表明：在接触摩擦过程中，石墨烯由于层数不同，确实会引起表面变形能力的差异，进而影响真实的接触面积；但这种单纯的粘着褶皱效应对界面摩擦力的影响在部分情况下很可能十分有限。通过对原子尺度界面作用力做细致的统计分析，研究人员发现主导界面摩擦(包括其瞬态演化)行为的关键因素是界面的咬合“质量”，即上下表面原子间的局部钉扎强度(Pinning Capability)和整个界面咬合作用的协同性(Commensurability)。

在滑动过程中，石墨烯由于具有超强的面外变形能力，能够动态地调整其构型从而改变与压头原子之间紧密接触和协同钉扎的程度。正是这种特殊的“接触质量”调控能力，使得石墨烯在摩擦中具有奇特的演化效应以及层数依赖性。基于此机理，研究团队还提出并论证了通过对二维材料施加可控变形来实现对表面摩擦行为大范围调控的新思路。

该研究工作首次阐述了石墨烯摩擦演化行为的机理，相关的“接触质量”理论对于其它拥有超柔力学特性的二维材料也具有普适性，同时对进一步理解固体界面摩擦行为的物理机制具有重要的指导意义。

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

专栏特约编辑许并社

许并社：男，1955年生，教授，博士生导师。享受国务院政府特殊津贴、中央和山西省联系的高级专家，国家杰出青年基金获得者。曾获2000年教育部跨世纪优秀人才、2003年全国回国留学人员先进个人、2014年全国杰出专业技术人才等荣誉，所领导的团队获2005年山西省高等学校优秀创新团队、2009年教育部“长江学者和创新团队发展计划”。先后承担国家“973”计划课题、国家杰出青年基金项目、科技部国际合作项目、国家自然科学基金重大研究计划项目(纳米专项)、国家自然科学基金项目、国家自然科学基金中日国际合作交流项目等国家级和省部级项目38项。以第一完成人获2014年国家科学技术进步二等奖1项、2009年国家技术发明二等奖1项、省部级一、二等奖10项；发表论文371篇，他引2000余次；授权发明专利162项；编著7部。主要致力于利用电子显微学研究超导、纳米、半导体光电等新材料中界面科学与工程方面的研究，研究方向包括：发光二极管、激光二极管和有机发光二极管等新型光电薄膜材料及器件；纳米材料及其复合功能纤维； 洋葱状富勒烯等材料的界面结构与性能之间的关系研究。

特约撰稿人郭俊杰

郭俊杰：男，1980年生，教授，博士生导师。山西省“百人计划”特聘专家，中国电子显微镜学会理事。2010年获日本东北大学博士学位，2011～2014年在美国橡树岭国家实验室进行博士后研究。主持国家自然科学基金、山西省基础研究计划、人社部留学人员科技活动项目择优资助等科研项目。在国际主流学术期刊NatureCommunications,Small,ActaMaterialia,ApplPhysLett等发表论文50余篇，被引用500余次。曾获青年三晋学者(2016)、山西省学术技术带头人(2015)、入选山西省高校“131”领军人才工程、山西省科学技术奖二等奖(2015)等奖励与荣誉。主要研究方向：尖端材料超微观结构解析、石墨烯/金属复合材料功能化设计。

特约撰稿人杨晓伟

杨晓伟：男，1982年生，教授，博士生导师。科技部青年973首席科学家。2011年获得上海交通大学博士学位，2009～2014年在澳大利亚蒙纳什大学先后任研究助理和博士后研究员，2014年底受聘于同济大学。主要从事纳米碳及二维材料的结构调控及其电化学能量存储和转换应用研究。已在国际期刊发表学术论文34篇，被SCI引用1688次，其中单篇论文最高引用率为467次，获授权国际专利一项。代表学术成果：(1)提出“易挥发-难挥发双重溶剂结构控制”用于宏观石墨烯堆积状态和孔结构调控的新思想，为高堆积密度电化学储能器件的设计提供了新的思路，并发表在Science(第一作者，2013, 341, 534-537)上，截至2016年10月被引418次；(2)联合石墨烯和液体间溶剂化等效应，解决了石墨烯宏观应用过程中微观片层的团聚难题，构筑出可超快速充放电和高质量比电容的水凝胶薄膜电极，并发表在AdvMater,AngewChemIntEd和EnergyEnvironSci上。

特约撰稿人刘先国

刘先国：男，1981年生，教授，硕士生导师。2009年获得中国科学院金属研究所博士学位。主持国家自然科学基金项目、安徽省自然科学基金项目、香港RGC项目以及归国人员科研启动项目各一项，参与多项国家级课题。发表SCI论文90余篇，他引次数1500余次，H因子为25，其中两篇论文入选ESI高被引论文，两篇论文入选扩展版ESI高被引论文。申请中国国家专利20项，现授权13项。主要从事电磁纳米功能材料的合成研究、能量存储转化功能材料的制备及其在电磁吸收和锂离子电池方面的应用研究。

特约撰稿人吕 伟

吕 伟：男，1984年生，讲师，硕士生导师。深圳市地方级领军人才。2012年获得天津大学化工学院博士学位，2012年8月～2015年8月，在清华大学深圳研究生院任博士后，2015年9月任清华大学深圳研究生院讲师。获天津市自然科学一等奖(排名第二)、英国碳素学会布赖恩-凯利奖,入围Reaxys博士奖和Carbon杂志Excellence in Review Award等学术奖励。在ACSNano,AdvMater,AdvFunMater,AdvEnergyMater,EnergyEnvironSci,ChemCommun等国际著名期刊杂志发表论文70余篇，获授权专利20余项。