北京時間2016年11月24日，Nature雜志以“The evolving quality of frictional contact with graphene”為題在線發(fā)表的一項研究成果表明，界面摩擦對于二維材料存在獨特的機(jī)理：二維材料由于其超薄的幾何特性和超大的柔性，能夠通過改變自身構(gòu)型來影響接觸界面的釘扎狀態(tài)，進(jìn)而可從界面的“質(zhì)”而不僅是“量”上來調(diào)控其摩擦性能。這項研究成果是由西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點實驗室孫軍教授課題組的李蘇植博士，在美國麻省理工學(xué)院李巨教授（通訊作者）的指導(dǎo)下，與清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系李群仰副教授（通訊作者）和美國賓夕法尼亞大學(xué)Robert W. Carpick教授（通訊作者）等人合作完成。

通訊作者：李巨教授（左）、李群仰副教授（中）和Robert W. Carpick教授（右）

自2004年石墨烯首次被制備以來，以石墨烯為代表的二維材料因其獨特的電、磁、熱、力學(xué)等性質(zhì)，成為科學(xué)家們研究的熱點。然而盡管經(jīng)歷了多年的研究，石墨烯的一些基本性質(zhì)仍然沒有被很好地理解，例如當(dāng)物體沿著其表面滑動時石墨烯的性質(zhì)和行為方式。對于以石墨烯為代表的二維材料摩擦過程中展現(xiàn)出的演化行為，迄今為止傳統(tǒng)的微觀摩擦理論尚未能給出一個合理的解釋。

研究人員通過原子模擬，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。新的研究表明：在接觸摩擦過程中，石墨烯由于層數(shù)不同，確實會引起表面變形能力的差異，進(jìn)而影響真實的接觸面積；但這種單純的粘著褶皺效應(yīng)對界面摩擦力的影響在部分情況下很可能十分有限。通過對原子尺度界面作用力做細(xì)致的統(tǒng)計分析，研究人員發(fā)現(xiàn)主導(dǎo)界面摩擦（包括其瞬態(tài)演化）行為的關(guān)鍵因素是界面的咬合“質(zhì)量”，即上下表面原子間的局部釘扎強(qiáng)度和整個界面咬合作用的協(xié)同性。在滑動過程中，石墨烯由于具有超強(qiáng)的面外變形能力，能夠動態(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)同釘扎的程度。正是這種特殊的“接觸質(zhì)量”調(diào)控能力，使得石墨烯在摩擦中具有奇特的演化效應(yīng)以及層數(shù)依賴性。基于此機(jī)理，研究團(tuán)隊還提出并論證了通過對二維材料施加可控變形來實現(xiàn)對表面摩擦行為大范圍調(diào)控的新思路。

（a）附著在Si襯底上的石墨烯；
（b，c）單層石墨烯（b）和襯底（c）的表面形貌；
（d）Si針尖與石墨烯接觸進(jìn)行摩擦測試；
（e，f）與針尖接觸2ns后單層石墨烯（b）和襯底（c）的形貌；
（g）展現(xiàn)單層（1L）和多層（2L-4L）石墨烯/Si襯底上的粘著-滑動行為的力學(xué)曲線；
（h）平均摩擦力（黑色）和接觸面積（灰色）隨石墨烯層數(shù)的變化。

（a-d）圖1（g）中標(biāo)記的四個時刻相應(yīng)的摩擦力分布；
（e）該四個時刻的原子尺度摩擦力的柱狀圖；
（f）該四個時刻的摩擦力分布的峭度值，內(nèi)圖為用來計算峭度的力學(xué)分布圖。

（a）模擬模型，分別有褶皺數(shù)不同的三個石墨烯樣品G1，G2，G3；
（b）在三個樣品上滑動產(chǎn)生的側(cè)向摩擦力；
（c）滑動時針尖-石墨烯接觸面積的變化。

（a-c）圖3（b）中三個樣品的摩擦力分布對比；
（d）該三個樣品的原子尺度摩擦力的柱狀圖；
（e）該三個樣品的原子尺度摩擦力分布的峭度值。

該研究工作首次闡述了石墨烯摩擦演化行為的機(jī)理，相關(guān)的“接觸質(zhì)量”理論對于其它擁有超柔力學(xué)特性的二維材料也具有普適性，同時對進(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。