近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李群仰、馮西橋教授課題組報(bào)道了二維范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面獨(dú)特的雙尺度粘-滑摩擦行為，借助改進(jìn)的理論模型，首次闡明了異質(zhì)界面變形對(duì)表面摩擦行為的影響，揭示了二維范德華層狀材料內(nèi)部堆垛狀態(tài)對(duì)表面摩擦行為的調(diào)控機(jī)制，為理解微觀摩擦耗散機(jī)制、發(fā)展摩擦的主動(dòng)調(diào)控策略提供了指導(dǎo)和參考。
相關(guān)研究在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）期刊，論文題為「石墨烯/六方氮化硼摩爾超晶格表面的雙尺度粘-滑摩擦行為」（Dual-Scale Stick-Slip Friction on Graphene/h-BN Moiré Superlattice Structure）。清華大學(xué)航院李群仰教授和中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所王浩敏研究員為本文的通訊作者，參與該工作的還有清華大學(xué)航院馮西橋教授和機(jī)械系馬天寶副教授。清華大學(xué)航院博士后張帥為論文第一作者，航院姚泉舟博士參與了此項(xiàng)研究。
作為一種典型的摩擦行為，「粘滯-滑動(dòng)」（簡(jiǎn)稱「粘-滑」）現(xiàn)象廣泛存在于各個(gè)尺度的接觸滑動(dòng)界面。特別地，原子尺度的「粘-滑」摩擦行為，由于其與摩擦耗散機(jī)制和摩擦的本源密切相關(guān)，受到了大量關(guān)注。
早在1987年，來(lái)自IBM研究中心的梅特（Mate）等人使用鎢探針在石墨表面滑動(dòng)時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了周期與石墨晶格常數(shù)一致的原子尺度「粘-滑」摩擦現(xiàn)象。
這種原子尺度「粘-滑」摩擦行為可以通過(guò)經(jīng)典的Prandtl-Tomlinson（P-T）模型進(jìn)行解釋：即考慮一根線性彈簧拖拽一個(gè)質(zhì)點(diǎn)小球在固定的周期性勢(shì)壘上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)彈簧剛度系數(shù)和能壘起伏滿足一定條件時(shí)，由于系統(tǒng)的失穩(wěn)，小球會(huì)發(fā)生緩慢移動(dòng)（即「粘滯」?fàn)顟B(tài)）與快速跳躍（即「滑動(dòng)」?fàn)顟B(tài)）相互交替的運(yùn)動(dòng)行為。
根據(jù)P-T模型的理論預(yù)測(cè)以及現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，原子尺度「粘-滑」的跳躍周期大都與材料表面晶格常數(shù)相一致。
該研究工作中，研究團(tuán)隊(duì)借助摩擦力顯微鏡，對(duì)石墨烯/六方氮化硼范德華異質(zhì)結(jié)表面的摩擦行為進(jìn)行了測(cè)試。由于石墨烯和六方氮化硼存在微小的晶格失配，兩種材料的堆垛界面會(huì)存在摩爾超晶格結(jié)構(gòu)，如圖1所示。摩擦表征的結(jié)果表明，除了傳統(tǒng)的原子尺度「粘-滑」摩擦行為，在摩爾超晶格尺度同樣存在清晰的「粘-滑」行為，如圖1所示。而且，當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)依次對(duì)不同尺度的「粘-滑」行為進(jìn)行激活時(shí)，系統(tǒng)的摩擦耗散會(huì)出現(xiàn)獨(dú)特的滑動(dòng)距離依賴性。這種雙尺度的「粘-滑」摩擦行為尚無(wú)法用目前已知的摩擦理論進(jìn)行解釋。
圖1.（a）石墨烯/h-BN異質(zhì)結(jié)表面摩擦行為表征示意圖及高分辨掃描隧道顯微鏡（STM）表征結(jié)果；（b）摩爾超晶格尺度的粘-滑摩擦行為；（c）原子尺度的粘-滑摩擦行為
為了理解這種獨(dú)特的雙周期「粘-滑」摩擦行為背后的物理機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一個(gè)考慮石墨烯變形能和層間堆垛狀態(tài)的改進(jìn)P-T模型，如圖2所示。借助該理論模型和數(shù)值計(jì)算，進(jìn)一步揭示了實(shí)驗(yàn)中觀察到的雙尺度「粘-滑」摩擦行為可能源于探針壓力作用下局部堆垛轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)的異質(zhì)界面變形。傳統(tǒng)P-T模型中，探針失穩(wěn)跳躍是原子尺度「粘-滑」摩擦現(xiàn)象發(fā)生的核心機(jī)制，但該研究表明，對(duì)于層狀范德華材料，探針壓力作用下二維材料原子層內(nèi)部應(yīng)變的積累和釋放也會(huì)導(dǎo)致獨(dú)特的摩爾超晶格尺度的「粘-滑」摩擦行為，如圖2所示。該發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步拓展了人們當(dāng)前對(duì)于粘-滑摩擦背后力學(xué)機(jī)制的認(rèn)知，也為調(diào)控范德華層狀材料表面的摩擦行為提供了一種新策略。
圖2.（a）改進(jìn)的P-T模型示意圖；（b）數(shù)值計(jì)算獲得的摩爾超晶格尺度的粘-滑摩擦曲線；（c）與粘-滑摩擦曲線對(duì)應(yīng)的石墨烯變形量的變化；（d）兩個(gè)典型時(shí)刻的異質(zhì)界面變形示意圖
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自由探索項(xiàng)目、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃及清華大學(xué)「水木學(xué)者」計(jì)劃的資助。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.226101
–清華大學(xué)新聞網(wǎng)
