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，三維固體材料在無磨損情況下的摩擦行為往往與界面真實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)表的一項研究成果表明，界面摩擦對于二維材料存在獨特的機(jī)理：二維材料由于其超薄的幾何特性和超大的柔性，能夠通過改變自身構(gòu)型來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”上來調(diào)控其摩擦性能。

該項工作是由西安交通大學(xué)金屬強(qiáng)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(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，以石墨烯為代表的二維材料因其獨特的電、磁、熱、力學(xué)等性質(zhì)，成為學(xué)術(shù)界研究的熱點。前期實驗表明，二維材料盡管厚度僅有若干分子層，但卻具有與宏觀潤滑劑相媲美的優(yōu)異潤滑性能，并且其摩擦行為十分奇特：對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，滑動中界面摩擦力會先隨著滑移距離的增加而增大，呈現(xiàn)出一個明顯的強(qiáng)化階段，并最終在一定滑移距離后演化到一個穩(wěn)態(tài)。石墨烯的奇特摩擦行為引起人們對其內(nèi)在物理機(jī)制的廣泛關(guān)注和討論。摩擦對分子層數(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)而影響真實接觸面積以及最終的摩擦阻力。而對二維材料摩擦過程中展現(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合理的解釋。

通過原子模擬，該合作研究團(tuán)隊首次重現(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：在接觸摩擦過程中，石墨烯由于層數(shù)不同，確實會引起表面變形能力的差異，進(jìn)而影響真實的接觸面積；但這種單純的粘著褶皺效應(yīng)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(xì)致的統(tǒng)計分析，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)和整個界面咬合作用的協(xié)同性(Commensurability)。

在滑動過程中，石墨烯由于具有超強(qiáng)的面外變形能力，能夠動態(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?；诖藱C(jī)理，研究團(tuán)隊還提出并論證了通過對二維材料施加可控變形來實現(xiàn)對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，同時對進(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。享受國務(wù)院政府特殊津貼、中央和山西省聯(lián)系的高級專家，國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年全國回國留學(xué)人員先進(jìn)個人、2014年全國杰出專業(yè)技術(shù)人才等榮譽(yù)，所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊獲2005年山西省高等學(xué)校優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊、2009年教育部“長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃”。先后承擔(dān)國家“973”計劃課題、國家杰出青年基金項目、科技部國際合作項目、國家自然科學(xué)基金重大研究計劃項目(納米專項)、國家自然科學(xué)基金項目、國家自然科學(xué)基金中日國際合作交流項目等國家級和省部級項目38項。以第一完成人獲2014年國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎1項、2009年國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、省部級一、二等獎10項；發(fā)表論文371篇，他引2000余次；授權(quán)發(fā)明專利162項；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“百人計劃”特聘專家，中國電子顯微鏡學(xué)會理事。2010年獲日本東北大學(xué)博士學(xué)位，2011～2014年在美國橡樹嶺國家實驗室進(jìn)行博士后研究。主持國家自然科學(xué)基金、山西省基礎(chǔ)研究計劃、人社部留學(xué)人員科技活動項目擇優(yōu)資助等科研項目。在國際主流學(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)、入選山西省高校“131”領(lǐng)軍人才工程、山西省科學(xué)技術(shù)獎二等獎(2015)等獎勵與榮譽(yù)。主要研究方向：尖端材料超微觀結(jié)構(gòu)解析、石墨烯/金屬復(fù)合材料功能化設(shè)計。

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)能量存儲和轉(zhuǎn)換應(yīng)用研究。已在國際期刊發(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)國際專利一項。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)儲能器件的設(shè)計提供了新的思路，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

劉先國：男，1981年生，教授，碩士生導(dǎo)師。2009年獲得中國科學(xué)院金屬研究所博士學(xué)位。主持國家自然科學(xué)基金項目、安徽省自然科學(xué)基金項目、香港RGC項目以及歸國人員科研啟動項目各一項，參與多項國家級課題。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。申請中國國家專利20項，現(xiàn)授權(quán)13項。主要從事電磁納米功能材料的合成研究、能量存儲轉(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(排名第二)、英國碳素學(xué)會布賴恩-凱利獎,入圍Reaxys博士獎和Carbon雜志Excellence in Review Award等學(xué)術(shù)獎勵。在ACSNano,AdvMater,AdvFunMater,AdvEnergyMater,EnergyEnvironSci,ChemCommun等國際著名期刊雜志發(fā)表論文70余篇，獲授權(quán)專利20余項。