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清华大学李群仰、冯西桥课题组合作在《美国科学院院刊》发文
2019-11-06
清华大学
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  摩擦的调控,尤其在很多情况下摩擦的降低,一直是人们长期追寻的目标。清华大学航天航空学院李群仰、冯西桥教授课题组与合作者于10月28日在《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)在线发表题为《摩擦的应变调控及超润滑状态的实现》(Tuning friction to a superlubric state via in-plane straining)的论文。研究表明,通过简单的面内拉伸即可对石墨烯表面的摩擦进行动态、可逆的调控;特别是,仅需给石墨烯加载0.6%的面内应变,其表面将呈现出近似超润滑的摩擦状态。

  近代摩擦理论一般认为,对于清洁、无磨损的弹性固体接触界面,摩擦力往往与原子尺度“真实”接触面积成正比。该比例系数称为摩擦剪切强度,通常由滑动界面的原子尺度特征所决定,例如原子质量、相互作用力的性质和界面的公度性等。尽管影响摩擦剪切强度的因素十分复杂,但对于一个给定接触副材料的无磨损、弹性滑动界面,其摩擦剪切强度也往往是确定的。

图1.(A)石墨烯应变加载和摩擦力测试过程示意图;(B)石墨烯表面摩擦系数随应变的变化;(C)松弛石墨烯和探针针尖接触状态示意图;(D)拉伸状态下石墨烯和探针针尖接触状态的示意图。

  李群仰、冯西桥课题组与合作者利用微鼓泡技术实现了对石墨烯面内应变的稳态加载,进而通过对不同拉伸状态下的石墨烯表面摩擦进行表征。实验结果表明,对于石墨烯表面摩擦力与其面内应变密切相关。随着拉伸应变的增加,表面摩擦力会显著降低;特别是当拉伸应变达到0.6%时,石墨烯表面甚至可以进入一种近似超润滑的状态。这种利用应变对摩擦力的调控现象是可逆的、且与石墨烯表面的粘附以及探针材料的选择无关。借助分子模拟与超高分辨的摩擦实验图像,研究团队揭示了这种独特的应变依赖性的机制:二维材料的面内应变可以有效地影响其离面方向的变形能力(柔度),进而导致外部探针压头与二维材料接触界面上的原子尺度钉扎能力发生改变;这种界面接触“质量”的改变有效地了调控滑动界面的摩擦行为。

图2.纳米滑块在拉伸的石墨烯基底上近似超润滑的滑动示意图

  该研究工作首次实现了通过宏观应变加载对界面原子尺度接触“质量”进行可控的调节,进而达到对材料表面摩擦行为的动态、可逆调控;该实验结果直接验证了李群仰课题组前期工作中提出的接触“质量”可主导并调控固体材料表面摩擦的物理模型(The evolving quality of frictional contact with graphene)(Nature, 539, 2016)。这也是李群仰教授课题组继“原子级超薄二维材料摩擦特性”(Frictional Characteristics of Atomically Thin Sheets)(Science, 328, 2010)、“源于键合作用的界面演化及状态与速率相关摩擦定律的物理机理”(Frictional ageing from interfacial bonding and the origins of rate and state friction)(Nature, 480, 2011)、“纳米尺度改性石墨表面的负摩擦系数行为”(Adhesion-dependent negative friction coefficient on chemically modified graphite at the nanoscale)(Nat. Mat., 11, 2012)和“通过莫尔云纹超晶格实现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),在固体表面摩擦微观机制领域的又一重大突破。

  该工作是清华大学航天航空学院李群仰教授、冯西桥教授与国家纳米中心刘璐琦研究员、张忠研究员以及西安交通大学李苏植教授合作完成。清华大学航院博士生张帅、国家纳米中心博士生侯渊和西安交通大学李苏植教授为论文共同第一作者,论文通讯作者为清华大学航天航空学院李群仰教授。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、科技部973计划项目、清华大学摩擦学国家重点实验室自由探索项目等项目的资助。

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