科研進展
蘭州化物所和西北工業(yè)大學研究人員揭示摩爾紋對二維材料摩擦性能影響規(guī)律
近日，中國科學院院士、中科院蘭州化學物理研究所劉維民研究員和西北工業(yè)大學齊衛(wèi)宏教授在二維材料層間摩擦力的摩爾紋效應研究方面取得新進展。
二維材料層間以范德華力結合，這種弱的非鍵相互作用使得二維材料之間可以任意堆疊而無需晶格匹配，容易形成摩爾紋超結構（圖1）。摩爾紋隨二維材料層間旋轉而變化，且與層間摩擦力密切相關，適當的層間旋轉可以形成特定的摩爾紋，使得摩擦力近乎消失（摩擦系數小于0.001），實現層間超潤滑。截至目前，二維材料形成的摩爾紋對摩擦性能的影響規(guī)律尚不明確，缺乏合適的理論模型，相關工作已成為二維材料層間摩擦力研究的前沿內容。
齊衛(wèi)宏教授和劉維民院士認為，二維材料的層間摩擦力主要來源于層間勢能面的起伏，而二維材料旋轉體系中的勢能面起伏主要是由摩爾紋的不規(guī)則截斷所導致?；谠撍悸罚芯繄F隊通過理論分析和分子動力學模擬獲得了摩爾紋對二維材料摩擦性能的影響規(guī)律，進一步推導出預測二維材料摩爾紋效應的解析表達式。
研究團隊認為，二維材料摩擦副的幾何構象對摩擦的影響可以統(tǒng)一地從摩爾紋的角度進行研究。雖然從經典的摩擦理論無法解釋摩爾紋對摩擦的影響，但可從摩爾紋的幾何結構和能量特征出發(fā)研究其對摩擦性能的影響。研究發(fā)現，一個完整摩爾超晶格內的勢能起伏接近于0，且無限大旋轉體系中摩爾紋對勢能起伏的影響可由如下公式描述：
其中，α和β是待定的經驗參數，α是組分晶格的周期，L是摩爾紋尺寸。圖2表明該公式很好地與分子動力學計算結果相吻合。有限大體系中勢能起伏主要由摩爾紋的不規(guī)則截斷導致，研究人員推導出摩爾紋尺寸、滑塊尺寸在旋轉體系中對勢能起伏U的定量關系：
其中，U0是局域勢能函數的振幅（圖3），？是滑塊尺寸，L是摩爾紋尺寸，η則是兩者比值，并假定滑塊的形狀及取向與摩爾超晶格完全一致。通過分子動力學模擬，研究人員證明該公式對同質結與異質結都適用（圖4）。
局域勢能函數具體代表的是局部勢能隨局部配置的分布，該函數的振幅U0是與宏觀的旋轉、尺寸及形狀無關的，代表的是材料結合能在滑動過程中變化幅度的本征屬性，一旦確定了U0，便可以通過對局域勢能函數積分預測任意幾何構型下的勢能起伏，從而計算出摩擦力。該研究成果對深入研究二維材料摩擦性能具有重要意義，可應用于高通量篩選和設計新的超潤滑二維材料體系。
相關研究成果以“Moiré pattern effect on sliding friction of two-dimensional materials”為題發(fā)表在Tribology International上。齊衛(wèi)宏教授和劉維民院士為通訊作者。
該工作得到了國家自然科學基金和中央高校基本科研業(yè)務費的資助。
圖1 摩爾紋示意圖
圖2 無限大旋轉雙層石墨烯中勢能起伏隨摩爾紋周期的變化，曲線是公式（1）的預測
圖3 局域勢能的示意圖。（左）石墨烯/六方氮化硼的每個原子的勢能（不同顏色代表不同勢能）；（右）局域勢能可以在一維用sin函數模擬
圖4 分子動力學計算檢驗勢能起伏函數。（左）旋轉雙層石墨烯；（右）石墨烯/六方氮化硼
