Nature重磅：西安交大首次揭示二维材料摩擦演化之谜

【引语】

北京时间2016年11月24日，《Nature》杂志以“The evolving quality of frictional contact with graphene”为题在线发表的一项研究成果表明，界面摩擦对于二维材料存在独特的机理：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。这项研究成果是由西安交通大学金属材料强度国家重点实验室孙军教授课题组的李苏植博士，在美国麻省理工学院李巨教授（通讯作者）的指导下，与清华大学航天航空学院工程力学系李群仰副教授（通讯作者）和美国宾夕法尼亚大学Robert W. Carpick教授（通讯作者）等人合作完成。

通讯作者：李巨教授（左）、李群仰副教授（中）和Robert W. Carpick教授（右）

【成果简介】

自2004年石墨烯首次被制备以来，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，成为科学家们研究的热点。然而尽管经历了多年的研究，石墨烯的一些基本性质仍然没有被很好地理解，例如当物体沿着其表面滑动时石墨烯的性质和行为方式。对于以石墨烯为代表的二维材料摩擦过程中展现出的演化行为，迄今为止传统的微观摩擦理论尚未能给出一个合理的解释。

研究人员通过原子模拟，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和整个界面咬合作用的协同性。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。

【图文导读】

图1 300K温度下Si尖端在石墨烯/Si衬底表面上滑动时的模型和摩擦行为

（a）附着在Si衬底上的石墨烯；
（b，c）单层石墨烯（b）和衬底（c）的表面形貌；
（d）Si针尖与石墨烯接触进行摩擦测试；
（e，f）与针尖接触2ns后单层石墨烯（b）和衬底（c）的形貌；
（g）展现单层（1L）和多层（2L-4L）石墨烯/Si衬底上的粘着-滑动行为的力学曲线；
（h）平均摩擦力（黑色）和接触面积（灰色）随石墨烯层数的变化。

图2 单层石墨烯/Si衬底上的原子尺度摩擦力的演变

（a-d）图1（g）中标记的四个时刻相应的摩擦力分布；
（e）该四个时刻的原子尺度摩擦力的柱状图；
（f）该四个时刻的摩擦力分布的峭度值，内图为用来计算峭度的力学分布图。

图3 300K下单层悬浮石墨烯的粘着/滑动摩擦模拟

（a）模拟模型，分别有褶皱数不同的三个石墨烯样品G1，G2，G3；
（b）在三个样品上滑动产生的侧向摩擦力；
（c）滑动时针尖-石墨烯接触面积的变化。

图4 单层悬浮石墨烯上的原子尺度摩擦力的演变

（a-c）图3（b）中三个样品的摩擦力分布对比；
（d）该三个样品的原子尺度摩擦力的柱状图；
（e）该三个样品的原子尺度摩擦力分布的峭度值。

【总结】

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。此外，作为新一代的固体润滑剂，石墨烯在诸多方面都表现出优于传统材料的特性，本工作对于石墨烯在摩擦和磨损领域更为有效的应用也提供了相应的理论支持。

【通讯作者简介】

李巨，长江学者讲座教授，麻省理工学院终身正教授。西安交通大学特聘教授(Adjunct Professor)。原子和电子尺度材料模拟专家。SCI 引用19221 余次，H因子69（2016年11月数据)。主要研究内容：计算材料学以及纳米材料研究、材料模拟基础方法（电子结构、原子层次模拟）、多尺度多物理模拟、以及新型结构和功能材料的理论研究。（资料来源：西安交通大学前沿科学技术研究院官网；李巨教授课题组网页：http://li.mit.edu/ ）

李群仰，清华大学航天航空学院工程力学系副研究员。1997年进入清华大学工程力学系学习，2001年获学士学位，2003年获固体力学专业硕士学位。2003年进入美国布朗大学工程系学习，2008年获固体力学专业博士学位并于同年加入美国宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系先后任Postdoctoral Researcher 和Research Scientist。2011年入选中组部首批“青年千人计划”，加入清华大学工程力学系，任副研究员。曾任美国摩擦及润滑工程师学会青年摩擦学家委员会常务秘书（2009-2011），目前为中国力学学会对外交流与合作工作委员会委员，及国际期刊《Review of Scientific Instruments》编委。（资料来源：清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心官网）

Robert W. Carpick，美国宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系教授，同时双聘于宾夕法尼亚大学材料科学与工程系。1991年在多伦多大学获学士学位，1997年在加州大学伯克利分校获物理学博士学位。（Robert W. Carpick教授课题组网页：http://carpick.seas.upenn.edu/）

文献链接: The evolving quality of frictional contact with graphene (Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature20135)

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