清華大學機械系在石墨烯超滑研究領域取得重要進展

清華新聞網2月16日電 近日，清華大學機械工程系、摩擦學國家重點實驗室聯合中國科學院化學研究所等單位，在利用石墨烯實現固體超滑領域取得重要進展。相關成果以「利用鍍有石墨烯的微球在高接觸壓力下實現魯棒性的微觀超滑」（Robust microscale superlubricity under high contact pressure enabled by graphene-coated microsphere）為題於2月14日發表在《自然·通訊》（Nature Communications）。

該研究中，研究人員設計並製備出一款用於原子力顯微鏡的鍍有石墨烯的微球探針，實現了石墨烯與石墨烯之間微觀摩擦力的測量，並且獲得了擁有「魯棒」特性的超低摩擦：適用於較寬範圍的載荷、環境氣氛、濕度、掃描範圍以及速度等實驗條件，同時超滑狀態也可以維持較長時間。此外這種石墨烯探針也可以在其他二維材料，如六方氮化硼（h-BN）晶體上獲得超滑，從而實現了異質二維材料之間的摩擦測量。

科幻圖片：利用石墨烯滑雪板在石墨烯高速公路上無摩擦滑動，實現星際漫遊。

意在展現石墨烯超滑技術可能具有潛在的應用前景。

據統計，全球約1/3的一次性能源由摩擦消耗，愈演愈烈的能源危機更突顯了摩擦學研究的現實意義。超滑是揭示摩擦能量耗散的起源以及探索降低摩擦能耗途徑的重要研究方向。近年來二維材料因其層間弱范德華作用以及優異的摩擦學特性引起了廣泛關注。如何實現穩定持久、對環境氣氛不敏感的超滑狀態，對實現石墨烯超滑的應用有著重要意義。清華大學摩擦學國家重點實驗室聯合中科院化學所設計並製備出了鍍有石墨烯的原子力顯微鏡微球探針。利用無金屬催化的方法直接在氧化硅微球上生長多層多晶石墨烯，再將石墨烯微球粘在無探針的懸臂樑上。此種製備方法避免了石墨烯轉移過程引入的雜質，同時石墨烯與基底具有較好的膜基結合力。

實驗和模擬結果（a）摩擦力隨著載荷變化曲線；（b）石墨烯探針示意圖；（c）摩擦力隨時間的變化曲線；（d）分子動力學模擬多粗糙峰多晶接觸模型（每個粗糙峰上包覆的石墨烯晶格取向隨機分布）。

石墨烯微球探針在對天然石墨、高定向熱解石墨（HOPG）、機械剝離石墨烯以及六方氮化硼晶體的摩擦實驗中均獲得了超低摩擦（摩擦係數最低可達0.003）。這種超低摩擦不受探針與基底之間的相對轉角的影響，同時超滑狀態能夠在較高粗糙峰接觸壓力下持續較長時間。通過高分辨AFM原子取向分析、接觸力學計算和分子動力學模擬，研究人員揭示了這種持久穩定的超低摩擦機理：石墨烯微球表面的多粗糙峰形貌以及石墨烯的多晶結構使得石墨烯微球與樣品間形成一種穩定的「准非公度接觸」，即多粗糙峰包覆石墨烯隨機取向的接觸狀態。另外，超滑的實驗結果不易受環境氣氛和濕度影響，能夠在乾燥氮氣、大氣和潮濕空氣（相對濕度51%）下實現，這種現象或可歸因於石墨烯探針與石墨基底的雙面疏水特性。該研究為固體潤滑和超滑系統設計提供了新的思路，此外該石墨烯探針方法同樣可推廣到其他二維材料或者異質二維材料間的固體超滑研究。

清華大學機械系副教授馬天寶、中國科學院化學研究所研究員於貴、以及清華大學機械系教授雒建斌為該論文的通訊作者。該論文的第一作者為清華大學機械系博士生劉淑娓，第二作者為中國科學院化學研究所博士生王華平。此論文是繼2016年10月在《自然·通訊》發表「莫爾條紋穩定石墨烯超低摩擦狀態」（Robust ultra-low-friction state of graphene via moiré superlattice confinement）論文後，該課題組在二維材料固體超滑領域的又一重要進展。該工作得到國家自然科學基金委重大科研儀器研製項目、基金委重大項目、973項目、基金委優秀青年基金、萬人計劃青年拔尖人才項目、摩擦學國家重點實驗室自主研究課題等相關研究計劃支持。分子動力學模擬在清華大學高性能計算中心「探索100」平台上完成。

文章鏈接：http://www.nature.com/articles/ncomms14029

供稿： 機械系 編輯：田心