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    我国学者揭示二维材料摩擦接触演化之谜

    日期 2016-12-02   来源:工程与材料科学部 数理科学部   作者:郑雁军 詹世革  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(项目编号:51321003,51320105014,11422218,11272177,11432008)等资助下,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室孙军课题组的李苏植博士在美国麻省理工学院李巨教授指导下,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罗伯特·卡皮克(Robert W. Carpick)教授等合作,在二维材料摩擦过程中展现出的接触演化行为方面取得了重要进展,相关成果以“The evolving quality of frictional contact with graphene(石墨烯摩擦接触的质量演变)”为题于11月24日在Nature在线发表。论文链接:http://www.nature.com/nature/journal/v539/n7630/full/nature20135.html。论文合作者包括西安交通大学丁向东教授和孙军教授,德国卡尔斯鲁厄理工大学的彼特·格布赫(Peter Gumbsch)教授等。该研究成果揭示了二维材料界面摩擦的独特机理,即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,进而可从界面的“质”而不仅是“量”上来调控其摩擦性能。

      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(Science, 328, 2010)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,一般认为其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,传统的微观摩擦理论迄今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。

    图 (a) 探针在铺展于粗糙基底上石墨烯滑动的模型;(b) 滑动界面处原子尺度摩擦力分布的示意图;(c) 对不同层数石墨烯测试得到的摩擦力变化曲线。




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