科學前沿12：發現一類理想的超滑體系：大晶格失配範德華異質介面

當前，因摩擦和磨損導致的能源損耗約佔人類能源總消耗的三分之一。實現極低摩擦不僅可以降低能源消耗同時可以延長機械壽命。

超滑（superlubliricty）定義為兩個固體表面接觸時摩擦力接近於零（摩擦係數小於10-3）的狀態

，自上世紀九十年代被發現以來一直是摩擦學的一個前沿研究方向。

結構超滑

（structural superlubliricty）是實現超滑的重要手段，簡單來說，如果不考慮兩個晶體接觸原子間的成化學鍵，結構超滑要從非公度的介面中尋找。

值得注意的是，自然界中存在的層狀材料如石墨、二硫化鉬、六方氮化硼等由於層間

弱範德華力

，作為天然的固態潤滑劑已經被使用超過一百年。

從原理上來看，非公度的範德華介面是研究結構超滑的理想體系

。如何構造這樣一個介面成為近年來超滑研究領域內一個引人矚目的問題。2004年，荷蘭萊頓大學Joost W。 M。 Frenken團隊率先在具有一定轉角的兩層石墨間測量到極低摩擦力（

Phys Rev Lett

2004， 92， 126101），展示了結構超滑的一個經典案例。2008年，清華大學鄭泉水院士團隊在類似介面中發現由極低摩擦力導致的自收縮效應（

Phys Rev Lett

2008， 100， 067205）。

在這種同質範德華介面中，零轉角接觸下是公度，導致摩擦力最大；小轉角接觸會產生莫爾圖案，莫爾週期內的局域晶格也存在公度情況，導致摩擦力較大；大轉角接觸近似是非公度，導致摩擦力極小。

為了擺脫範德華介面中摩擦的轉角依賴性，一個可能的解決方案是構造範德華異質介面。

2016年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心張廣宇團隊研究了石墨烯－六方氮化硼介面的熱穩定性，發現熱致旋轉現象（

Phys Rev Lett

2016， 116， 126101），揭示這種範德華異質介面可能存在結構超滑。2018年，清華大學鄭泉水院士團隊測量了其介面摩擦力，驗證了結構超滑現象；同時發現，在異質結中所觀察到的摩擦各向異性要比在其均質部分測到的資料大大降低（

Nature Materials

2018， 17， 894）。然而，由於石墨烯和六方氮化硼的晶格失配較小（～1。7%），這種範德華異質介面在小轉角下仍然存在由於莫爾超晶格導致的釘扎效應。揭示穩定的、不同轉角下各向同性的結構超滑依然是一個挑戰。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心張廣宇團隊與捷克理工大學Tomas Polcar團隊合作，針對大晶格失配範德華異質介面的超滑現象進行系統地研究。張廣宇指導的博士生廖夢舟

利用環境控制下的原子力顯微鏡技術研究了外延生長的二硫化鉬－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%）異質介面的本徵摩擦特性

，發現這兩種大晶格失配範德華異質介面是理想的超滑系統，不僅摩擦係數可以低於10-6（和測量極限處於同一水平），且不依賴於層間的相互轉角（即各向同性）。

圖一：範德華介面摩擦力的測量方法。

圖二：大失配範德華介面中的超滑現象。

進一步研究了不同尺寸樣品揭示了摩擦力的來源

，發現在這種大晶格失配範德華異質介面中面內接近零摩擦，而邊界的釘扎效應是整體摩擦力的主要來源。作為對比樣品，在小晶格失配範德華異質介面（石墨烯－六方氮化硼）中，面內介面摩擦仍占主導地位。

圖三：摩擦力的來源探究。

為

解釋邊界釘扎效應機理

，Tomas Polcar團隊的Paolo Nicolini博士對此進行了分子動力學模擬。

模擬結果表明，由於晶格週期性在邊界被破壞，導致邊界原子束縛減弱。

因此，相較於中心原子，邊界原子更加活躍。同時計算結果也顯示邊界原子勢能面較中心原子顯著升高。分子動力學模擬結果清晰的顯示出了邊界原子和中心原子的不同狀態，更不穩定的邊界原子更容易在滑移中耗散能量。

圖四：MoS2/graphite介面的分子動力學模擬。

該工作在實驗上探究了一類大晶格失配範德華異質介面中的各向同性超滑現象，為設計和應用超滑介面提供了新思路。工作同時表明，

在介面超滑體系中要儘量避免晶格邊界、介面臺階及位錯等結構缺陷，從而降低其對結構超滑的負作用

。

圖五：介面臺階對摩擦力的影響。

相關研究結果發表在 Nature Materials 2021 上，工作得到了國家自然科學基金重點專案、中科院B類先導專項、松山湖材料實驗室等的經費支援。

編輯：觀山不易、yrLewis