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清华大学摩擦学国家重点实验室再次在结构超滑领域取得重要进展

近日,清华大学摩擦学国家重点实验室马明副教授和郑泉水教授再次在结构超滑领域取得重要进展,在世界上首次报道了微米尺度异质结构的稳定超滑特性。相关成果以《微米尺度石墨/六方氮化硼层状异质结中的鲁棒性结构超滑》(Robust microscale superlubricity in graphite/hexagonal boron nitride layered heterojunctions)为题,于2018年7月30日在线发表于材料领域国际学术期刊《自然•材料》(Nature Materials)上。宋一鸣博士生为该论文的第一作者,马明副教授和郑泉水教授为共同通讯作者,论文合作者还包括以色列特拉维夫大学化学学院的Davide Mandelli博士,Oded Hod教授和Michael Urbakh教授。


图1. (a) 实验装置图,微米尺度石墨岛在原子力显微镜针尖驱动下相对于六方氮化硼表面滑动;(b) 实验测得的微米尺度单晶石墨和六方氮化硼表面间的各向异性摩擦力;(c) 不同相对运动速度与环境下,法向载荷对摩擦力的影响。内图表示1000个运动周期内摩擦力的变化;(d) 不同法向载荷和环境下,相对运动速度对摩擦力的影响。

摩擦是人类历史上研究和利用的最久远、最基础、最重要的现象之一,对物理、工程、化学、生物等领域具有十分重要的意义。当今工业化国家依然有高达约1/4能源因摩擦而消耗掉,约80%机械部件失效由于磨损造成。近年来发现的结构超滑,即相互接触的两个原子级光滑固体表面间摩擦系数极低、无磨损的现象,为上述问题带来了根本解决途径,吸引了大量国内、国际研究者的关注。在该领域的研究热点是实现微米、毫米乃至更大尺度的稳定结构超滑,最终应用于工业生产与日常生活。

本文首次实验展示了微米尺度石墨和六方氮化硼单晶异质界面中稳定的结构超滑特性。异质材料界面的采用使我们能够解决同质材料界面长期存在的超滑特性不稳定问题,即结构超滑特性会随着界面重新定向消失,导致界面锁定在高摩擦状态。重要的是,异质界面的超滑特性在大气环境条件下持续稳定存在,并且对外部负载表现出几乎无磨损的运动。通过全原子分子动力学模拟,我们进一步揭示了同质和异质范德瓦尔斯界面摩擦各向异性的不同机制。


原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0144-z

文章链接

http://sklt.tsinghua.edu.cn/publish/sklt/1553/2018/20180801095801046960943/20180801095801046960943_.html





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