揭示二维材料摩擦演化之谜

——西安交通大学突破石墨烯摩擦机理研究

 注：本文原载于陕西日报2017年5月19日科教新闻版头条，文章链接为http://esb.sxdaily.com.cn/sxrb/20170519/html/page_05_content_001.htm

    生活中，摩擦现象无处不在。国际顶级学术期刊《自然》杂志，于2016年11月24日发表了西安交通大学最新的研究成果，该文章揭示了主导二维材料石墨烯的摩擦行为的机理，将我国在该领域的研究推向国际前沿水平。近日，该论文的第一作者，目前正在德国开展研究工作的西安交通大学金属材料强度国家重点实验室的李苏植博士，在线接受了记者的采访，讲述了关于该研究的始末。

    科学研究是个不断发现的过程。自2004年首次被制备以来，以石墨烯为代表的二维材料因其独特的电、磁、热、力学等性质，成为学术界研究的热点。而对石墨烯的摩擦测试发现，它的摩擦行为也非常奇特，与石墨有明显的不同。石墨烯的奇特摩擦行为引起人们对其内在物理机制的广泛关注和讨论。在美国麻省理工大学李巨教授的指导下，李苏植与清华大学、美国宾夕法尼亚大学等几所著名学府的相关教授展开合作研究，最终对主导石墨烯摩擦行为的内在机制给予了细致而深入的解释。

   “我们的研究手段并不是传统的实验测试，而是最近二三十年新兴的一种新的研究方法——计算机模拟技术。通过构建相应的模型再现实验的重要细节，可以深入地理解实验结果并对实验现象给予一个合理的解释。”李苏植告诉记者，正是因为“工具”上的创新，主导二维材料摩擦行为机制的研究很快取得进展。

    通过原子模拟，该合作研究团队首次重现了石墨烯摩擦行为的所有核心现象，并提出了二维材料可能存在的一种全新的摩擦演化及调控机制。新的研究表明：在接触摩擦过程中，石墨烯由于层数不同，确实会引起表面变形能力的差异，进而影响真实的接触面积；但这种单纯的褶皱效应对界面摩擦力的影响在部分情况下很可能十分有限。

    如果把石墨看作一本书，那么石墨烯就是其中的一页，在滑动过程中，薄薄的石墨烯很容易形成褶皱，并可随时调整几何构型以适应外界接触环境的变化。正是这种特殊的调控能力，使得石墨烯在摩擦中具有奇特的演化效应以及层数依赖性。基于此机理，研究团队还提出并论证了通过对二维材料施加可控变形来实现对表面摩擦行为大范围调控的新思路。

    团队成员西安交通大学教授丁向东表示，基础研究的性质决定了这项研究无法迅速产生效益，但它的影响深远。他解释说，这篇文章发现传统摩擦理论在二维材料中应用的局限性，完善并扩展了主导二维材料的摩擦机制。同时，进一步提出了一种通过二维材料几何构型来调控摩擦行为的思路，对光学、电学等其他方面的研究也有重要启示作用。在实际应用方面，作为新一代的固体润滑剂，石墨烯在诸多方面都表现出优于传统材料的特性，当前的工作有望作为理论依据，进一步指导石墨烯作为纳米固态润滑材料在实际中的应用。

    《自然》杂志在同期的“新闻与评论”专栏发表了专题评述，对文章给予积极评价：“该工作不仅揭示了石墨烯奇特摩擦行为的来源，而且引发了对摩擦机理在诸多层面上的探索，同时也为人们以一种可控的方式来研究复杂体系的摩擦强化行为提供了可能性。”