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清華大學李群仰、馮西橋課題組合作在《美國科學院院刊》發文

研究表明,通過簡單的面内拉伸即可對石墨烯表面的摩擦進行動态、可逆的調控;特别是,僅需給石墨烯加載0.6%的面内應變,其表面将呈現出近似超潤滑的摩擦狀态。

摩擦的調控,尤其在很多情況下摩擦的降低,一直是人們長期追尋的目标。清華大學航天航空學院李群仰、馮西橋教授課題組與合作者于10月28日在《美國科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)在線發表題為《摩擦的應變調控及超潤滑狀态的實現》(Tuning friction to a superlubric state via in-plane straining)的論文。研究表明,通過簡單的面内拉伸即可對石墨烯表面的摩擦進行動态、可逆的調控;特别是,僅需給石墨烯加載0.6%的面内應變,其表面将呈現出近似超潤滑的摩擦狀态。

近代摩擦理論一般認為,對于清潔、無磨損的彈性固體接觸界面,摩擦力往往與原子尺度“真實”接觸面積成正比。該比例系數稱為摩擦剪切強度,通常由滑動界面的原子尺度特征所決定,例如原子質量、相互作用力的性質和界面的公度性等。盡管影響摩擦剪切強度的因素十分複雜,但對于一個給定接觸副材料的無磨損、彈性滑動界面,其摩擦剪切強度也往往是确定的。

李群仰、馮西橋課題組與合作者利用微鼓泡技術實現了對石墨烯面内應變的穩态加載,進而通過對不同拉伸狀态下的石墨烯表面摩擦進行表征。實驗結果表明,對于石墨烯表面摩擦力與其面内應變密切相關。随着拉伸應變的增加,表面摩擦力會顯著降低;特别是當拉伸應變達到0.6%時,石墨烯表面甚至可以進入一種近似超潤滑的狀态。這種利用應變對摩擦力的調控現象是可逆的、且與石墨烯表面的粘附以及探針材料的選擇無關。借助分子模拟與超高分辨的摩擦實驗圖像,研究團隊揭示了這種獨特的應變依賴性的機制:二維材料的面内應變可以有效地影響其離面方向的變形能力(柔度),進而導緻外部探針壓頭與二維材料接觸界面上的原子尺度釘紮能力發生改變;這種界面接觸“質量”的改變有效地了調控滑動界面的摩擦行為。

該研究工作首次實現了通過宏觀應變加載對界面原子尺度接觸“質量”進行可控的調節,進而達到對材料表面摩擦行為的動态、可逆調控;該實驗結果直接驗證了李群仰課題組前期工作中提出的接觸“質量”可主導并調控固體材料表面摩擦的物理模型(The evolving quality of frictional contact with graphene)(Nature, 539, 2016)。這也是李群仰教授課題組繼“原子級超薄二維材料摩擦特性”(Frictional Characteristics of Atomically Thin Sheets)(Science, 328, 2010)、“源于鍵合作用的界面演化及狀态與速率相關摩擦定律的物理機理”(Frictional ageing from interfacial bonding and the origins of rate and state friction)(Nature, 480, 2011)、“納米尺度改性石墨表面的負摩擦系數行為”(Adhesion-dependent negative friction coefficient on chemically modified graphite at the nanoscale)(Nat. Mat., 11, 2012)和“通過莫爾雲紋超晶格實現石墨烯表面可靠的超低摩擦”(Robust ultra-low friction state of graphene via moiré superlattice confinement)(Nat. Comm., 7, 2016),在固體表面摩擦微觀機制領域的又一重大突破。

該工作是清華大學航天航空學院李群仰教授、馮西橋教授與國家納米中心劉璐琦研究員、張忠研究員以及西安交通大學李蘇植教授合作完成。清華大學航院博士生張帥、國家納米中心博士生侯淵和西安交通大學李蘇植教授為論文共同第一作者,論文通訊作者為清華大學航天航空學院李群仰教授。該研究工作得到了國家自然科學基金項目、科技部973計劃項目、清華大學摩擦學國家重點實驗室自由探索項目等項目的資助。

本文來自清華大學,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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