石墨和六方氮化硼层状异质结的微米尺度超润滑

【引言】

摩擦和磨损是机械系统里能量损失和部件失效的两个主要原因。传统减少摩擦的方法包括液体润滑剂，会在强约束力和外界极端环境（高温、化学污染、真空等）下失效。结构超润滑为减少摩擦和磨损提供了一种可行的方法，这种方法主要依赖于有效地减少不对称刚性晶体接触的侧向力。科学家第一次发现均质石墨中的纳米结构是在十年前。经过多年的研究，结构超润滑在广泛应用的巨大阻碍主要是均质坚硬界面的各向异性。即使处于一个不对称的超低摩擦的状态，他们也会通过旋转走向一致的高摩擦的状态。这个问题的严重程度随着接触尺寸的不同而不同。

【成果简介】

近日，清华大学的郑泉水教授（通讯作者）课题组在微观晶体异质结中实现了结构超润滑，为进一步实现宏观下的超润滑奠定了一定的基础。石墨和六方氮化硼之间的界面实验结果证明在外部负载下保持一致的接触，结构超润滑存在。在异质结中所观察到的摩擦各向异性要比在其均质部分测到的数据小几个数量级。原子模拟也揭示了这两种情况下的摩擦机理来自两种完全不同的动态状态。该成果以题为"Robust Microscale Superlubricity in Graphite/Hexagonal Boron Nitride Layered Heterojunctions"发表在Nature Mater.上。

【图文导读】

图1. 实验装置

(a).图示用来测量石墨和六方氮化硼之间摩擦力的实验装置

(b). 石墨/六方氮化硼异质结的制作过程

图2. 石墨/六方氮化硼异质结摩擦力的旋转各向异性

图3. 石墨/六方氮化硼异质结摩擦力旋转各向异性的模拟

(a).图示模拟建模

(b).石墨/六方氮化硼异质结的模拟摩擦力和均质部分的模拟摩擦力

(c,d).角度对石墨烯COM运动中的摩擦压力的影响

(e). 石墨/六方氮化硼异质结摩擦力的角度依赖

图4. 外界环境对石墨/六方氮化硼异质结表面摩擦力的影响

(a).不同滑动速度下，负载对石墨/六方氮化硼异质结节界面摩擦力的影响

(b).不同负载下，石墨/六方氮化硼异质结节界面摩擦力对滑动速度的影响

【小结】

在这个工作中，作者通过实验在微观晶体异质结中实现了结构超润滑，为进一步实现宏观下的超润滑奠定了一定的基础。石墨和六方氮化硼之间的界面实验结果证明在外部负载下保持一致的接触，结构超润滑存在。在异质结中所观察到的摩擦各向异性要比在其均质部分测到的数据小几个数量级。原子模拟也揭示了这两种情况下的摩擦机理来自两种完全不同的动态状态。

文献链接：Robust Microscale Superlubricity in Graphite/Hexagonal Boron Nitride Layered Heterojunctions (Nat. Mater., 2018, DOI: 10. 1038/s41563-018-0144-z)