清華大學機械係石墨烯超滑研究的重要進展

清華大學機械係石墨烯超滑研究的重要進展

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

本文設計並製作了一種用於(yu) 原子力顯微鏡的石墨烯塗層微球探針。測量了石墨烯與(yu) 石墨烯之間的微摩擦，得到了具有魯棒性的超低摩擦：適用於(yu) 負載、環境氣氛、濕度、掃描範圍和速度等多種實驗條件，並能長期保持超滑態，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(ti) 進行超臨(lin) 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(yan) 重的能源危機凸顯了摩擦學研究的現實意義(yi) ，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，由於(yu) 二維材料層間範德華相互作用較弱，摩擦學性能優(you) 異，引起了人們(men) 的廣泛關(guan) 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(yi) 。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並製備了石墨烯塗層的OBE，采用無金屬催化的方法在二氧化矽微球上直接生長多層多晶石墨烯，然後將石墨烯微球粘附在無探針的角上。杠杆梁：製備方法避免了石墨烯轉移過程中引入的雜質，石墨烯與(yu) 基體(ti) 有良好的粘附性。

實驗和模擬結果如下：（a）摩擦與(yu) 載荷；（b）石墨烯探針示意圖；（c）摩擦與(yu) 時間；（d）多粗糙峰多晶接觸模型的分子動力學模擬（每個(ge) 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(ti) 的摩擦實驗中，石墨烯微球探針獲得了超低摩擦（最低摩擦係數為(wei) 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(yu) 基體(ti) 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。石墨烯微球表麵的Gy和石墨烯的多晶結構導致了石墨烯微球與(yu) 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，並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，可在幹燥氮氣、大氣和潮濕空氣中實現（相對濕度51%）。這一現象可歸因於(yu) 石墨烯探針和石墨基底的雙重疏水特性，為(wei) 固體(ti) 潤滑和超滑係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(ti) 超滑研究中。

清華大學力學係副教授馬天寶、中國科學院化學研究所研究員餘(yu) 貴、清華大學力學係教授劉建斌是本文的傳(chuan) 播作者，本文第一作者是博士劉樹毅。清華大學力學係學生，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》出版之後，二維材料固體(ti) 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(hui) 重大項目、基金項目973項、基金會(hui) 優(you) 秀青年基金、青年優(you) 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平台上，完成了萬(wan) 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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