清華大學(xué)機(jī)械系石墨烯超滑研究的重要進(jìn)展
清華大學(xué)機(jī)械系石墨烯超滑研究的重要進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)2月16日訊，近日，清華大學(xué)機(jī)械工程系、摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院化學(xué)研究所在石墨烯固體超滑領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在《自然通訊》雜志上。bruary 14，標(biāo)題為石墨烯涂層微球在高接觸壓力下的魯棒微尺度超潤(rùn)滑性。
本文設(shè)計(jì)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(cè)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(fù)載、環(huán)境氣氛、濕度、掃描范圍和速度等多種實(shí)驗(yàn)條件，并能長(zhǎng)期保持超滑態(tài)，此外，石墨烯探針還可以獲得對(duì)其他二維材料如六方氮化硼（H-BN）晶體進(jìn)行超臨界滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了非均勻二維材料之間的摩擦測(cè)量。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(yán)重的能源危機(jī)凸顯了摩擦學(xué)研究的現(xiàn)實(shí)意義，超量滑動(dòng)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(lái)，由于二維材料層間范德華相互作用較弱，摩擦學(xué)性能優(yōu)異，引起了人們的廣泛關(guān)注，如何獲得穩(wěn)定、耐用、對(duì)環(huán)境不敏感的超滑態(tài)，對(duì)石墨烯超滑的應(yīng)用具有重要意義。清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所設(shè)計(jì)并制備了石墨烯涂層的OBE，采用無(wú)金屬催化的方法在二氧化硅微球上直接生長(zhǎng)多層多晶石墨烯，然后將石墨烯微球粘附在無(wú)探針的角上。杠桿梁：制備方法避免了石墨烯轉(zhuǎn)移過(guò)程中引入的雜質(zhì)，石墨烯與基體有良好的粘附性。
實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果如下：（a）摩擦與載荷；（b）石墨烯探針示意圖；（c）摩擦與時(shí)間；（d）多粗糙峰多晶接觸模型的分子動(dòng)力學(xué)模擬（每個(gè)粗糙峰上石墨烯晶格取向的隨機(jī)分布）。
在天然石墨、高定向熱解石墨（HopG）、機(jī)械剝離石墨烯和六角氮化硼晶體的摩擦實(shí)驗(yàn)中，石墨烯微球探針獲得了超低摩擦（最低摩擦系數(shù)為0.003），這種超低摩擦不受相對(duì)旋轉(zhuǎn)角的影響。通過(guò)高分辨原子取向分析、接觸力學(xué)計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了探針與基體之間以及在高接觸壓力下超滑態(tài)能長(zhǎng)期存在的持久穩(wěn)定的超低摩擦機(jī)理：多粗糙峰形貌。石墨烯微球表面的Gy和石墨烯的多晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了石墨烯微球與樣品之間穩(wěn)定的準(zhǔn)非等量接觸，即多粗糙峰狀態(tài)下石墨烯的隨機(jī)取向，并且超滑實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不容易受到環(huán)境溫度的影響。大氣和濕度，可在干燥氮?dú)?、大氣和潮濕空氣中?shí)現(xiàn)（相對(duì)濕度51%）。這一現(xiàn)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(rùn)滑和超滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的思路。此外，石墨烯探針?lè)ㄒ部赏茝V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(xué)力學(xué)系副教授馬天寶、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員余貴、清華大學(xué)力學(xué)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(shù)毅。清華大學(xué)力學(xué)系學(xué)生，第二作者王華平，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所博士生，本文是繼《格拉斯哥超低摩擦態(tài)》出版之后，二維材料固體超滑領(lǐng)域的又一重要進(jìn)展。2016年10月通過(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目、基金會(huì)重大項(xiàng)目、基金項(xiàng)目973項(xiàng)、基金會(huì)優(yōu)秀青年基金、青年優(yōu)秀人才計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。在清華大學(xué)高性能計(jì)算中心探索100平臺(tái)上，完成了萬(wàn)人計(jì)劃和國(guó)家摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的自主研究項(xiàng)目。
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