【材料】清华大学雒建斌院士/刘宇宏教授课题组Mat. Sci. Eng. R：二维材料层间超滑特性与分子结构的相关性研究

学术 2024-11-25 08:10 北京

摩擦能量耗散路径与润滑材料的本征结构参数密切相关。尽管二维材料由于原子级平滑的层板结构以及较弱的层间相互作用，已经使得层间滑动成为固体超滑研究中的重要方向，然而目前仍然缺乏对构效关系的深入理解，这严重阻碍了科研人员通过结构设计实现性能调控。

近日，清华大学雒建斌院士/刘宇宏教授课题组通过实验和理论研究了四种不同结构类型的二维润滑材料的层间滑动能力，揭示了二维材料层间超滑特性与分子结构间的构效关系。首先识别了二维材料的两种夹层摩擦机理，建立了机理类型与分子结构间的内在关系，之后阐释了实验中摩擦力和粘附力的理论来源，并提出一个简易指标追踪实验中的摩擦系数规律，最后提出了结构杂化对超润滑的具体作用机制，证明了结构杂化是超滑材料结构设计的有效策略。

作者精心选择了四种不同结构类型的二维材料，包括无机结构、有机结构、碳结构和无机-有机杂化结构。这些结构之间相互联系，为建立构效关系提供了可能（图1a）。为了对四种性质迥异的二维材料进行夹层摩擦测试，作者团队开发了相界面定向转移纳米片技术。该技术的核心思想在于将包含纳米片的分散液滴加于反相溶剂（不能润湿纳米片的溶剂）中，分散剂扩散进入反相溶剂，留下纳米片-空气界面，纳米片在界面自发调整取向后转移至摩擦副对偶面，使得对外暴露晶面为二维的(00Ꙇ)晶面，通过组装同质结，实现二维材料的层间摩擦测试（图1b）。

图1. (a) 四种二维材料的结构相关关系。(b) 相界面定向转移纳米片技术。

微观摩擦测试结果表明，四种二维材料都具有优异的层间超滑特性，通过作者开发的相界面定向转移纳米片技术，可以实现较长的超滑寿命（石墨烯 > 1.5 h，MOFs > 2 h）。但四种结构之间的性能差异显著，作者通过分子摩擦理论对实验数据进一步解读，阐释厘清了传统模糊观点“二维材料层间作用越弱，层间滑动越容易”（图2）。

图2. 四种二维结构的夹层摩擦特性。（a）二维粘附力图；（b）粘附力统计；（c）摩擦力和摩擦系数；（d）超滑寿命。

作者理论模拟了四种结构二维材料的夹层滑动过程，根据滑动能量曲线形状总结出两种夹层摩擦机理——势垒机理和势阱机理，并建立了分子结构与机理类型间的内在关系。作者验证了经典理论中层间摩擦的来源——最大能量波纹（E_c）和层间粘附的来源——最大层间结合能（Γ_b），并根据分子摩擦理论提出了一个基于能量数据的无量纲常数（E_c/│Γ_b│）作为简易指标来追踪实验中的摩擦系数规律（图3）。

图3. 四种二维结构夹层滑动过程的理论模拟。(a-d) 滑动能量曲线和最低、最高能量构型；(e-h) 最低能量构型的差分电荷密度。

作者通过模型重构研究了杂化对超滑的具体作用机制，重构模型包括杂化的有机结构（COF(Cu)）和部分去杂化的无机-有机杂化结构（MOFs(H)），以及MoS₂/Graphene异质结，其可以视为另一种形式的结构杂化。研究结果表明杂化会通过降低最大能量波纹（E_c）和提高最大层间结合能（Γ_b）来促进层间超润滑，从而证明结构杂化是超滑材料结构设计的有效策略（图4）。

图4. 重构模型的夹层滑动过程。（a）COF(Cu);（b）MOFs(H);（c）MoS₂/Graphene异质结；（d-f）最低能量构型的差分电荷密度。

该研究成果发表在材料科学领域顶级期刊Materials Science & Engineering R: Reports 上。研究工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金和国家资助博士后研究人员计划的大力支持。清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室的博士后刘磊为论文第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

The correlation between molecular structure and superlubricity in homojunctions of 2D materials

Lei Liu, Yuxin Li, Haoyu Wang, Zhanglin Yang, Kunpeng Wang*, Jianbin Luo* and Yuhong Liu*

Mater. Sci. Eng. R Rep., 2024, 161, 100868, DOI: 10.1016/j.mser.2024.100868

导师介绍

雒建斌

https://www.x-mol.com/university/faculty/43009

刘宇宏

https://www.x-mol.com/groups/liu_yuhong

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