顆粒在線訊：當(dāng)前，因摩擦和磨損導(dǎo)致的能源損耗約占人類能源總消耗的三分之一。實(shí)現(xiàn)極低摩擦不僅可以降低能源消耗同時(shí)可以延長(zhǎng)機(jī)械壽命。超滑（superlubliricty）定義為兩個(gè)固體表面接觸時(shí)摩擦力接近于零（摩擦系數(shù)小于10-3）的狀態(tài)，自上世紀(jì)九十年代被發(fā)現(xiàn)以來(lái)一直是摩擦學(xué)的一個(gè)前沿研究方向。結(jié)構(gòu)超滑（structural superlubliricty）是實(shí)現(xiàn)超滑的重要手段，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果不考慮兩個(gè)晶體接觸原子間的成化學(xué)鍵，結(jié)構(gòu)超滑要從非公度的界面中尋找。

值得注意的是，自然界中存在的層狀材料如石墨、二硫化鉬、六方氮化硼等由于層間弱范德華力，作為天然的固態(tài)潤(rùn)滑劑已經(jīng)被使用超過(guò)一百年。從原理上來(lái)看，非公度的范德華界面是研究結(jié)構(gòu)超滑的理想體系。如何構(gòu)造這樣一個(gè)界面成為近年來(lái)超滑研究領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)引人矚目的問(wèn)題。2004年，荷蘭萊頓大學(xué)Joost W. M. Frenken團(tuán)隊(duì)率先在具有一定轉(zhuǎn)角的兩層石墨間測(cè)量到極低摩擦力（Phys Rev Lett 2004, 92, 126101），展示了結(jié)構(gòu)超滑的一個(gè)經(jīng)典案例。2008年，清華大學(xué)鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)在類似界面中發(fā)現(xiàn)由極低摩擦力導(dǎo)致的自收縮效應(yīng)（Phys Rev Lett 2008, 100, 067205）。在這種同質(zhì)范德華界面中，零轉(zhuǎn)角接觸下是公度，導(dǎo)致摩擦力最大；小轉(zhuǎn)角接觸會(huì)產(chǎn)生莫爾圖案，莫爾周期內(nèi)的局域晶格也存在公度情況，導(dǎo)致摩擦力較大；大轉(zhuǎn)角接觸近似是非公度，導(dǎo)致摩擦力極小。

為了擺脫范德華界面中摩擦的轉(zhuǎn)角依賴性，一個(gè)可能的解決方案是構(gòu)造范德華異質(zhì)界面。2016年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心張廣宇團(tuán)隊(duì)研究了石墨烯－六方氮化硼界面的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)熱致旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象（Phys Rev Lett 2016, 116, 126101），揭示這種范德華異質(zhì)界面可能存在結(jié)構(gòu)超滑。2018年，清華大學(xué)鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)測(cè)量了其界面摩擦力，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)超滑現(xiàn)象；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在異質(zhì)結(jié)中所觀察到的摩擦各向異性要比在其均質(zhì)部分測(cè)到的數(shù)據(jù)大大降低（Nature Materials 2018, 17, 894）。然而，由于石墨烯和六方氮化硼的晶格失配較?。ā?.7%），這種范德華異質(zhì)界面在小轉(zhuǎn)角下仍然存在由于莫爾超晶格導(dǎo)致的釘扎效應(yīng)。揭示穩(wěn)定的、不同轉(zhuǎn)角下各向同性的結(jié)構(gòu)超滑依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

近期，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心張廣宇團(tuán)隊(duì)與捷克理工大學(xué)Tomas Polcar團(tuán)隊(duì)合作，針對(duì)大晶格失配范德華異質(zhì)界面的超滑現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)地研究。張廣宇指導(dǎo)的博士生廖夢(mèng)舟利用環(huán)境控制下的原子力顯微鏡技術(shù)研究了外延生長(zhǎng)的二硫化鉬－石墨（晶格失配～26.8%）以及二硫化鉬－六方氮化硼（晶格失配～24.6%）異質(zhì)界面的本征摩擦特性，發(fā)現(xiàn)這兩種大晶格失配范德華異質(zhì)界面是理想的超滑系統(tǒng)，不僅摩擦系數(shù)可以低于10-6（和測(cè)量極限處于同一水平），且不依賴于層間的相互轉(zhuǎn)角（即各向同性）。進(jìn)一步研究了不同尺寸樣品揭示了摩擦力的來(lái)源，發(fā)現(xiàn)在這種大晶格失配范德華異質(zhì)界面中面內(nèi)接近零摩擦，而邊界的釘扎效應(yīng)是整體摩擦力的主要來(lái)源。作為對(duì)比樣品，在小晶格失配范德華異質(zhì)界面（石墨烯－六方氮化硼）中，面內(nèi)界面摩擦仍占主導(dǎo)地位。為解釋邊界釘扎效應(yīng)機(jī)理，Tomas Polcar團(tuán)隊(duì)的Paolo Nicolini博士對(duì)此進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬。模擬結(jié)果表明，由于晶格周期性在邊界被破壞，導(dǎo)致邊界原子束縛減弱。因此，相較于中心原子，邊界原子更加活躍。同時(shí)計(jì)算結(jié)果也顯示邊界原子勢(shì)能面較中心原子顯著升高。分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果清晰的顯示出了邊界原子和中心原子的不同狀態(tài)，更不穩(wěn)定的邊界原子更容易在滑移中耗散能量。

圖1 范德華界面摩擦力的測(cè)量方法

圖2 大失配范德華界面中的超滑現(xiàn)象

圖3  摩擦力的來(lái)源探究

圖4   MoS2/graphite界面的分子動(dòng)力學(xué)模擬

圖5   界面臺(tái)階對(duì)摩擦力的影響

該工作在實(shí)驗(yàn)上探究了一類大晶格失配范德華異質(zhì)界面中的各向同性超滑現(xiàn)象，為設(shè)計(jì)和應(yīng)用超滑界面提供了新思路。工作同時(shí)表明，在界面超滑體系中要盡量避免晶格邊界、界面臺(tái)階及位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，從而降低其對(duì)結(jié)構(gòu)超滑的負(fù)作用。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Nature Materials 2021, https://doi.org/10.1038/s41563-021-01058-4上，工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室等的經(jīng)費(fèi)支持。