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【引語】 北京時(shí)間2016年11月24日，Nature雜志以“The evolving quality of frictional contact with graphene”為題在線發(fā)表的一項(xiàng)研究成果表明，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，能夠通過改變自身構(gòu)型來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”上來調(diào)控其摩擦性能。這項(xiàng)研究成果是由西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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（通訊作者）的指導(dǎo)下，與清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系李群仰副教授（通訊作者）和美國賓夕法尼亞大學(xué)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(dú)特的電、磁、熱、力學(xué)等性質(zhì)，成為科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。然而盡管經(jīng)歷了多年的研究，石墨烯的一些基本性質(zhì)仍然沒有被很好地理解，例如當(dāng)物體沿著其表面滑動(dòng)時(shí)石墨烯的性質(zhì)和行為方式。對(duì)于以石墨烯為代表的二維材料摩擦過程中展現(xiàn)出的演化行為，迄今為止傳統(tǒng)的微觀摩擦理論尚未能給出一個(gè)合理的解釋。 研究人員通過原子模擬，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(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。通過對(duì)原子尺度界面作用力做細(xì)致的統(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)度和整個(gè)界面咬合作用的協(xié)同性。在滑動(dòng)過程中，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。基于此機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)還提出并論證了通過對(duì)二維材料施加可控變形來實(shí)現(xiàn)對(duì)表面摩擦行為大范圍調(diào)控的新思路。 【圖文導(dǎo)讀】 圖1 300K溫度下Si尖端在石墨烯/Si襯底表面上滑動(dòng)時(shí)的模型和摩擦行為 （a）附著在Si襯底上的石墨烯； 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(biāo)記的四個(gè)時(shí)刻相應(yīng)的摩擦力分布； 圖3 300K下單層懸浮石墨烯的粘著/滑動(dòng)摩擦模擬 （a）模擬模型，分別有褶皺數(shù)不同的三個(gè)石墨烯樣品G1，G2，G3； 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(gè)樣品的摩擦力分布對(duì)比； 【總結(jié)】 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(duì)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(shí)對(duì)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。此外，作為新一代的固體潤滑劑，石墨烯在諸多方面都表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)材料的特性，本工作對(duì)于石墨烯在摩擦和磨損領(lǐng)域更為有效的應(yīng)用也提供了相應(yīng)的理論支持。 |
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