科学家揭示石墨烯摩擦演化行为机理

2016-11-28 09:17 来源: 中国科学报
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  西安交通大学教授孙军课题组与国内外合作团队11月24日在线发表于《自然》的一项研究表明:界面摩擦对二维材料存在独特的机理,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影响接触界面的钉扎状态,进而可从界面的“质”而不仅是“量”调控其摩擦性能。该研究结论颠覆了近代摩擦学研究表明并遵循的“三维固体材料在无磨损情况下的摩擦行为往往与界面真实接触面积大小直接相关”的论断。

  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。但是对二维材料摩擦过程中展现出的演化行为,迄今传统的微观摩擦理论未能给出一个合理的解释。

  合作团队通过原子模拟,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,即主导界面摩擦(包括其瞬态演化)行为的关键因素是界面的咬合“质量”,也就是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。正是这种特殊 “接触质量”的调控能力,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,该团队还提出并论证了通过对二维材料施加可控变形实现对表面摩擦行为大范围调控的新思路。

  该研究对于石墨烯在摩擦和磨损领域更为有效的应用提供了相应的理论支持。此次国际团队合作者包括孙军课题组博士李苏植、美国麻省理工学院教授李巨,清华大学副教授李群仰和美国宾夕法尼亚大学教授罗伯特·卡尔皮克等。