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
2016-11-29 來源：中國聚合物網
近代摩擦學研究表明，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的大小直接相關。而清華大學航天航空學院李群仰課題組與合作者于11月24日在《自然》在線發表題為“石墨烯摩擦接觸界面的狀態演化”（The evolving quality of frictional contact with graphene）表明，界面摩擦對于二維材料存在獨特的機理：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型來影響接觸界面的釘扎狀態，進而可從界面的“質”而不僅是“量”上來調控其摩擦性能。
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特的電、磁、熱、力學等性質，成為學術界研究熱點。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相關，層數越少摩擦力越大；而且，滑動中界面摩擦力會隨著先滑移距離的增加而增大，呈現出一個明顯的強化階段，并最終在一定滑移距離后會演化到一個穩態。
石墨烯的奇特摩擦行為引起人們對其內在物理機制的廣泛關注和討論。對于摩擦與分子層數間的依賴性，一般認為其源于二維材料的粘著褶皺效應（puckering effect）：即在摩擦過程中由于樣品層數不同導致表面變形能力的差異，進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出的演化行為，迄今傳統的微觀摩擦理論目前為止始終未能給出一個合理的解釋。
通過原子模擬，李群仰課題組及其合作研究團隊首次重現了石墨烯摩擦行為的核心現象，并提出了二維材料可能存在的一種全新的摩擦演化及調控機制。新的研究表明：在接觸摩擦過程中，石墨烯由于層數不同，確實會引起表面變形能力的差異，進而影響真實的接觸面積；但這種單純的粘著褶皺效應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的細致統計分析，研究人員發現主導界面摩擦（包括其瞬態演化）行為的關鍵因素是界面的咬合“質量”，即上下表面原子間的局部釘扎強度（pinning capability）和整個界面咬合作用的協同性（commensurability）。在滑動過程中，石墨烯由于具有超強的面外變形能力，能夠動態地調整其構型從而改變與壓頭原子之間緊密接觸和協同釘扎的程度。正是這種特殊的接觸界面 “質量”調控能力，使得石墨烯在摩擦中具有奇特的演化效應以及層數依賴性。基于此機理，研究團隊還提出并論證了通過對二維材料施加可控變形來實現對表面摩擦行為大范圍調控的新思路。
該工作是清華大學航天航空學院李群仰副教授與美國麻省理工大學李巨教授、賓夕法尼亞大學羅伯特·卡皮克（Robert Carpick）教授合作，指導西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗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的丁向東教授和孫軍教授、德國卡爾斯魯厄理工大學彼特·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計劃項目、國家自然科學基金項目、青年千人計劃等項目的資助。
論文鏈接：
http://www.nature.com/nature/journal/v539/n7630/full/nature20135.html
相關論文鏈接：
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
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特的電、磁、熱、力學等性質，成為學術界研究熱點。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相關，層數越少摩擦力越大；而且，滑動中界面摩擦力會隨著先滑移距離的增加而增大，呈現出一個明顯的強化階段，并最終在一定滑移距離后會演化到一個穩態。
石墨烯的奇特摩擦行為引起人們對其內在物理機制的廣泛關注和討論。對于摩擦與分子層數間的依賴性，一般認為其源于二維材料的粘著褶皺效應（puckering effect）：即在摩擦過程中由于樣品層數不同導致表面變形能力的差異，進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出的演化行為，迄今傳統的微觀摩擦理論目前為止始終未能給出一個合理的解釋。
通過原子模擬，李群仰課題組及其合作研究團隊首次重現了石墨烯摩擦行為的核心現象，并提出了二維材料可能存在的一種全新的摩擦演化及調控機制。新的研究表明：在接觸摩擦過程中，石墨烯由于層數不同，確實會引起表面變形能力的差異，進而影響真實的接觸面積；但這種單純的粘著褶皺效應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的細致統計分析，研究人員發現主導界面摩擦（包括其瞬態演化）行為的關鍵因素是界面的咬合“質量”，即上下表面原子間的局部釘扎強度（pinning capability）和整個界面咬合作用的協同性（commensurability）。在滑動過程中，石墨烯由于具有超強的面外變形能力，能夠動態地調整其構型從而改變與壓頭原子之間緊密接觸和協同釘扎的程度。正是這種特殊的接觸界面 “質量”調控能力，使得石墨烯在摩擦中具有奇特的演化效應以及層數依賴性。基于此機理，研究團隊還提出并論證了通過對二維材料施加可控變形來實現對表面摩擦行為大范圍調控的新思路。
原子模擬模型和結果：(a) 探針在鋪展于粗糙基底上石墨烯滑動的模型；(b) 石墨烯在表面作用下粘著褶皺的形貌； (c) 滑動過程中的摩擦力變化曲線； (d) 滑動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理，相關“接觸質量”理論對于其它擁有超柔力學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》期刊“原子級超薄二維材料摩擦特性”，2011年11月在《自然》期刊發表“源于鍵合作用的界面演化及狀態與速率相關摩擦定律的物理機理”， 2012年10月在《自然·材料》發表“納米尺度改性石墨表面的負摩擦系數行為”，和2016年10月在《自然·通訊》發表“通過莫爾云紋超晶格實現石墨烯表面可靠的超低摩擦”四項成果之后，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副教授與美國麻省理工大學李巨教授、賓夕法尼亞大學羅伯特·卡皮克（Robert Carpick）教授合作，指導西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗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的丁向東教授和孫軍教授、德國卡爾斯魯厄理工大學彼特·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計劃項目、國家自然科學基金項目、青年千人計劃等項目的資助。
論文鏈接：
http://www.nature.com/nature/journal/v539/n7630/full/nature20135.html
相關論文鏈接：
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
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