清華大學機械系石墨烯超滑研究的重要進展

清華大學機械系石墨烯超滑研究的重要進展

清華新聞網2月16日訊，近日，清華大學機械工程系、摩擦學國家重點實驗室、中科院化學研究所在石墨烯固體超滑領域取得了重要進展，相關成果發表在《自然通訊》雜志上。bruary 14，標題為石墨烯涂層微球在高接觸壓力下的魯棒微尺度超潤滑性。

本文設計并制作了一種用于原子力顯微鏡的石墨烯涂層微球探針。測量了石墨烯與石墨烯之間的微摩擦，得到了具有魯棒性的超低摩擦：適用于負載、環境氣氛、濕度、掃描范圍和速度等多種實驗條件，并能長期保持超滑態，此外，石墨烯探針還可以獲得對其他二維材料如六方氮化硼（H-BN）晶體進行超臨界滑動，實現了非均勻二維材料之間的摩擦測量。

據統計，世界上約三分之一的可支配能量是由摩擦消耗的，而日益嚴重的能源危機凸顯了摩擦學研究的現實意義，超量滑動是揭示摩擦能量耗散成因、探索降低摩擦能量消耗的重要研究方向。近年來，由于二維材料層間范德華相互作用較弱，摩擦學性能優異，引起了人們的廣泛關注，如何獲得穩定、耐用、對環境不敏感的超滑態，對石墨烯超滑的應用具有重要意義。清華大學摩擦學國家重點實驗室和中國科學院化學研究所設計并制備了石墨烯涂層的OBE，采用無金屬催化的方法在二氧化硅微球上直接生長多層多晶石墨烯，然后將石墨烯微球粘附在無探針的角上。杠桿梁：制備方法避免了石墨烯轉移過程中引入的雜質，石墨烯與基體有良好的粘附性。

實驗和模擬結果如下：（a）摩擦與載荷；（b）石墨烯探針示意圖；（c）摩擦與時間；（d）多粗糙峰多晶接觸模型的分子動力學模擬（每個粗糙峰上石墨烯晶格取向的隨機分布）。

在天然石墨、高定向熱解石墨（HopG）、機械剝離石墨烯和六角氮化硼晶體的摩擦實驗中，石墨烯微球探針獲得了超低摩擦（最低摩擦系數為0.003），這種超低摩擦不受相對旋轉角的影響。通過高分辨原子取向分析、接觸力學計算和分子動力學模擬，揭示了探針與基體之間以及在高接觸壓力下超滑態能長期存在的持久穩定的超低摩擦機理：多粗糙峰形貌。石墨烯微球表面的Gy和石墨烯的多晶結構導致了石墨烯微球與樣品之間穩定的準非等量接觸，即多粗糙峰狀態下石墨烯的隨機取向，并且超滑實驗的結果不容易受到環境溫度的影響。大氣和濕度，可在干燥氮氣、大氣和潮濕空氣中實現（相對濕度51%）。這一現象可歸因于石墨烯探針和石墨基底的雙重疏水特性，為固體潤滑和超滑系統的設計提供了新的思路。此外，石墨烯探針法也可推廣到其他二維材料或非均勻二維材料之間的固體超滑研究中。

清華大學力學系副教授馬天寶、中國科學院化學研究所研究員余貴、清華大學力學系教授劉建斌是本文的傳播作者，本文第一作者是博士劉樹毅。清華大學力學系學生，第二作者王華平，中國科學院化學研究所博士生，本文是繼《格拉斯哥超低摩擦態》出版之后，二維材料固體超滑領域的又一重要進展。2016年10月通過國家自然科學基金重大研究開發項目、基金會重大項目、基金項目973項、基金會優秀青年基金、青年優秀人才計劃等項目的支持。在清華大學高性能計算中心探索100平臺上，完成了萬人計劃和國家摩擦學重點實驗室的自主研究項目。

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