清华大学机械系石墨烯超滑研究的重要进展

清华大学机械系石墨烯超滑研究的重要进展

清华新闻网2月16日讯，近日，清华大学机械工程系、摩擦学国家重点实验室、中科院化学研究所在石墨烯固体超滑领域取得了重要进展，相关成果发表在《自然通讯》杂志上。bruary 14，标题为石墨烯涂层微球在高接触压力下的鲁棒微尺度超润滑性。

本文设计并制作了一种用于原子力显微镜的石墨烯涂层微球探针。测量了石墨烯与石墨烯之间的微摩擦，得到了具有鲁棒性的超低摩擦：适用于负载、环境气氛、湿度、扫描范围和速度等多种实验条件，并能长期保持超滑态，此外，石墨烯探针还可以获得对其他二维材料如六方氮化硼（H-BN）晶体进行超临界滑动，实现了非均匀二维材料之间的摩擦测量。

据统计，世界上约三分之一的可支配能量是由摩擦消耗的，而日益严重的能源危机凸显了摩擦学研究的现实意义，超量滑动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。近年来，由于二维材料层间范德华相互作用较弱，摩擦学性能优异，引起了人们的广泛关注，如何获得稳定、耐用、对环境不敏感的超滑态，对石墨烯超滑的应用具有重要意义。清华大学摩擦学国家重点实验室和中国科学院化学研究所设计并制备了石墨烯涂层的OBE，采用无金属催化的方法在二氧化硅微球上直接生长多层多晶石墨烯，然后将石墨烯微球粘附在无探针的角上。杠杆梁：制备方法避免了石墨烯转移过程中引入的杂质，石墨烯与基体有良好的粘附性。

实验和模拟结果如下：（a）摩擦与载荷；（b）石墨烯探针示意图；（c）摩擦与时间；（d）多粗糙峰多晶接触模型的分子动力学模拟（每个粗糙峰上石墨烯晶格取向的随机分布）。

在天然石墨、高定向热解石墨（HopG）、机械剥离石墨烯和六角氮化硼晶体的摩擦实验中，石墨烯微球探针获得了超低摩擦（最低摩擦系数为0.003），这种超低摩擦不受相对旋转角的影响。通过高分辨原子取向分析、接触力学计算和分子动力学模拟，揭示了探针与基体之间以及在高接触压力下超滑态能长期存在的持久稳定的超低摩擦机理：多粗糙峰形貌。石墨烯微球表面的Gy和石墨烯的多晶结构导致了石墨烯微球与样品之间稳定的准非等量接触，即多粗糙峰状态下石墨烯的随机取向，并且超滑实验的结果不容易受到环境温度的影响。大气和湿度，可在干燥氮气、大气和潮湿空气中实现（相对湿度51%）。这一现象可归因于石墨烯探针和石墨基底的双重疏水特性，为固体润滑和超滑系统的设计提供了新的思路。此外，石墨烯探针法也可推广到其他二维材料或非均匀二维材料之间的固体超滑研究中。

清华大学力学系副教授马天宝、中国科学院化学研究所研究员余贵、清华大学力学系教授刘建斌是本文的传播作者，本文第一作者是博士刘树毅。清华大学力学系学生，第二作者王华平，中国科学院化学研究所博士生，本文是继《格拉斯哥超低摩擦态》出版之后，二维材料固体超滑领域的又一重要进展。2016年10月通过国家自然科学基金重大研究开发项目、基金会重大项目、基金项目973项、基金会优秀青年基金、青年优秀人才计划等项目的支持。在清华大学高性能计算中心探索100平台上，完成了万人计划和国家摩擦学重点实验室的自主研究项目。

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