“摩擦”這一物理現(xiàn)象在日常生活中并不陌生，習(xí)以為常的走路、穿衣都離不開(kāi)摩擦，沒(méi)有它，我們的生活可以說(shuō)是“寸步難行”的?？墒?，不知你是否想過(guò)，我們對(duì)于摩擦的認(rèn)識(shí)大都是建立在宏觀(guān)經(jīng)驗(yàn)情況下的。如果走進(jìn)納米尺度的微觀(guān)世界，走近獨(dú)特神秘的二維材料，看似簡(jiǎn)單的“摩擦”也會(huì)變得奇妙無(wú)比。
二維材料是指二維材料是指厚度僅有單層原子/分子的晶體材料。自2004年石墨烯首次被成功分離以來(lái)，以它為代表的二維材料因其獨(dú)特的電、磁、熱、力、光學(xué)等性質(zhì)成為學(xué)術(shù)研究的新熱點(diǎn)，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，“極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命”。
因此，無(wú)數(shù)學(xué)者致力于揭開(kāi)二維材料摩擦的秘密，不懈探索、研精鉤深，清華航天航空學(xué)院李群仰課題組就是其中之一。2016年11月24日，他們于《自然》雜志在線(xiàn)發(fā)表題為“石墨烯摩擦接觸界面的狀態(tài)演化”的文章，首次重現(xiàn)了石墨烯摩擦行為的所有核心現(xiàn)象，并提出了二維材料可能存在的一種全新的摩擦演化及調(diào)控機(jī)制。
李群仰課題組的研究表明，界面的咬合“質(zhì)量”，即上下表面原子間的局部釘扎強(qiáng)度和整個(gè)界面咬合作用的協(xié)同性，是影響摩擦行為的關(guān)鍵因素。在滑動(dòng)過(guò)程中，石墨烯由于具有超強(qiáng)的面外變形能力，能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整其構(gòu)型，從而改變與壓頭原子之間緊密接觸和協(xié)同釘扎程度。這一機(jī)制超越了摩擦學(xué)中二維材料粘著褶皺效應(yīng)的經(jīng)典解釋?zhuān)丛谀Σ吝^(guò)程中二維材料由于樣品層數(shù)不同導(dǎo)致表面變形能力的差異，進(jìn)而影響其真實(shí)接觸面積大小以及最終的摩擦阻力。
該研究工作首次闡述了石墨烯摩擦演化行為的機(jī)理，其“接觸質(zhì)量”理論對(duì)于其它擁有超柔力學(xué)特性的二維材料也具有普適性——二維材料由于其超薄的幾何特性和超大的柔性，能夠從界面的“質(zhì)”而不僅是“量”上來(lái)調(diào)控其摩擦性能，對(duì)進(jìn)一步理解固體界面摩擦行為的物理機(jī)制具有重要的指導(dǎo)意義。此外，作為新一代的固體潤(rùn)滑劑，石墨烯在諸多方面都表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)材料的特性，本工作對(duì)于石墨烯在摩擦和磨損領(lǐng)域更為有效的應(yīng)用也提供了相應(yīng)的理論支持。
這項(xiàng)研究由李群仰副教授與麻省理工大學(xué)李巨教授和賓夕法尼亞大學(xué)羅伯特·卡皮克教授合作，并指導(dǎo)西安交通大學(xué)李蘇植博士完成，西安交大、德國(guó)卡爾斯魯厄理工大學(xué)的教授也參與了工作。該論文的通訊作者為李群仰副教授、羅伯特·卡皮克教授和李巨教授。
