據(jù)統(tǒng)計，全球約1/3的一次性能源由摩擦消耗，愈演愈烈的能源危機更突顯了摩擦學研究的現(xiàn)實意義。超滑是揭示摩擦能量耗散的起源以及探索降低摩擦能耗途徑的重要研究方向。近年來二維材料因其層間弱范德華作用以及優(yōu)異的摩擦學特性引起了廣泛關(guān)注。如何實現(xiàn)穩(wěn)定持久、對環(huán)境氣氛不敏感的超滑狀態(tài)，對實現(xiàn)石墨烯超滑的應(yīng)用有著重要意義。
近日，清華大學、中科院等單位在利用石墨烯實現(xiàn)固體超滑領(lǐng)域取得重要進展，研究人員設(shè)計并制備出一款用于原子力顯微鏡的鍍有石墨烯的微球探針，實現(xiàn)了石墨烯與石墨烯之間微觀摩擦力的測量，并且獲得了擁有“魯棒”特性的超低摩擦：適用于較寬范圍的載荷、環(huán)境氣氛、濕度、掃描范圍以及速度等實驗條件，同時超滑狀態(tài)也可以維持較長時間。此外這種石墨烯探針也可以在其他二維材料，如六方氮化硼（h-BN）晶體上獲得超滑，從而實現(xiàn)了異質(zhì)二維材料之間的摩擦測量。
科幻圖片：利用石墨烯滑雪板在石墨烯高速公路上無摩擦滑動，實現(xiàn)星際漫游。意在展現(xiàn)石墨烯超滑技術(shù)可能具有潛在的應(yīng)用前景。
清華大學等利用無金屬催化的方法直接在氧化硅微球上生長多層多晶石墨烯，再將石墨烯微球粘在無探針的懸臂梁上。此種制備方法避免了石墨烯轉(zhuǎn)移過程引入的雜質(zhì)，同時石墨烯與基底具有較好的膜基結(jié)合力。
實驗和模擬結(jié)果（a）摩擦力隨著載荷變化曲線；（b）石墨烯探針示意圖；（c）摩擦力隨時間的變化曲線；（d）分子動力學模擬多粗糙峰多晶接觸模型（每個粗糙峰上包覆的石墨烯晶格取向隨機分布）。
石墨烯微球探針在對天然石墨、高定向熱解石墨（HOPG）、機械剝離石墨烯以及六方氮化硼晶體的摩擦實驗中均獲得了超低摩擦（摩擦系數(shù)最低可達0.003）。這種超低摩擦不受探針與基底之間的相對轉(zhuǎn)角的影響，同時超滑狀態(tài)能夠在較高粗糙峰接觸壓力下持續(xù)較長時間。通過高分辨AFM原子取向分析、接觸力學計算和分子動力學模擬，研究人員揭示了這種持久穩(wěn)定的超低摩擦機理：石墨烯微球表面的多粗糙峰形貌以及石墨烯的多晶結(jié)構(gòu)使得石墨烯微球與樣品間形成一種穩(wěn)定的“準非公度接觸”，即多粗糙峰包覆石墨烯隨機取向的接觸狀態(tài)。
另外，超滑的實驗結(jié)果不易受環(huán)境氣氛和濕度影響，能夠在干燥氮氣、大氣和潮濕空氣（相對濕度51%）下實現(xiàn)，這種現(xiàn)象或可歸因于石墨烯探針與石墨基底的雙面疏水特性。該研究為固體潤滑和超滑系統(tǒng)設(shè)計提供了新的思路，此外該石墨烯探針方法同樣可推廣到其他二維材料或者異質(zhì)二維材料間的固體超滑研究。
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