清華大學航太航空學院李群仰、馮西橋課題組報導摩爾超晶格表面雙尺度粘-滑摩擦行為及力學機制

近日,清華大學航太航空學院李群仰、馮西橋教授課題組報導了二維範德華異質結構表面獨特的雙尺度粘-滑摩擦行為,借助改進的理論模型,首次闡明了異質介面變形對表面摩擦行為的影響,揭示了二維範德華層狀資料內部堆垛狀態對表面摩擦行為的調控機制,為理解微觀摩擦耗散機制、發展摩擦的主動調控策略提供了指導和參攷。

近日,清華大學航太航空學院李群仰、馮西橋教授課題組報導了二維範德華異質結構表面獨特的雙尺度粘-滑摩擦行為,借助改進的理論模型,首次闡明了異質介面變形對表面摩擦行為的影響,揭示了二維範德華層狀資料內部堆垛狀態對表面摩擦行為的調控機制,為理解微觀摩擦耗散機制、發展摩擦的主動調控策略提供了指導和參攷。

作為一種典型的摩擦行為,“粘滯-滑動”(簡稱“粘-滑”)現象廣泛存在於各個尺度的接觸滑動介面。特別地,原子尺度的“粘-滑”摩擦行為,由於其與摩擦耗散機制和摩擦的本源密切相關,受到了大量關注。早在1987年,來自IBM研究中心的梅特(Mate)等人使用鎢探針在石墨表面滑動時,首次發現了週期與石墨晶格常數一致的原子尺度“粘-滑”摩擦現象。這種原子尺度“粘-滑”摩擦行為可以通過經典的Prandtl-Tomlinson(P-T)模型進行解釋:即考慮一根線性彈簧拖拽一個質點小球在固定的週期性勢壘上運動,當彈簧剛度係數和能壘起伏滿足一定條件時,由於系統的失穩,小球會發生緩慢移動(即“粘滯”狀態)與快速跳躍(即“滑動”狀態)相互交替的運動行為。根據P-T模型的理論預測以及現有的實驗觀測,原子尺度“粘-滑”的跳躍週期大都與資料表面晶格常數相一致。

該研究工作中,研究團隊借助摩擦力顯微鏡,對石墨烯/六方氮化硼範德華異質結表面的摩擦行為進行了測試。由於石墨烯和六方氮化硼存在微小的晶格失配,兩種資料的堆垛介面會存在摩爾超晶格結構,如圖1所示。摩擦表徵的結果表明,除了傳統的原子尺度“粘-滑”摩擦行為,在摩爾超晶格尺度同樣存在清晰的“粘-滑”行為,如圖1所示。而且,當研究團隊依次對不同尺度的“粘-滑”行為進行啟動時,系統的摩擦耗散會出現獨特的滑動距離依賴性。這種雙尺度的“粘-滑”摩擦行為尚無法用現時已知的摩擦理論進行解釋。

圖1.(a)石墨烯/h-BN異質結表面摩擦行為表徵示意圖及高分辨掃描隧道顯微鏡(STM)表徵結果;(b)摩爾超晶格尺度的粘-滑摩擦行為;(c)原子尺度的粘-滑摩擦行為

為了理解這種獨特的雙週期“粘-滑”摩擦行為背後的物理機制,研究團隊發展了一個考慮石墨烯變形能和層間堆垛狀態的改進P-T模型,如圖2所示。借助該理論模型和數值計算,進一步揭示了實驗中觀察到的雙尺度“粘-滑”摩擦行為可能源於探針壓力作用下局部堆垛轉變誘導的異質介面變形。傳統P-T模型中,探針失穩跳躍是原子尺度“粘-滑”摩擦現象發生的覈心機制,但該研究表明,對於層狀範德華資料,探針壓力作用下二維資料原子層內部應變的積累和釋放也會導致獨特的摩爾超晶格尺度的“粘-滑”摩擦行為,如圖2所示。該發現進一步拓展了人們當前對於粘-滑摩擦背後力學機制的認知,也為調控範德華層狀資料表面的摩擦行為提供了一種新策略。

圖2.(a)改進的P-T模型示意圖;(b)數值計算獲得的摩爾超晶格尺度的粘-滑摩擦曲線;(c)與粘-滑摩擦曲線對應的石墨烯變形量的變化;(d)兩個典型時刻的異質介面變形示意圖

該研究工作於6月2日線上發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)期刊,論文題為“石墨烯/六方氮化硼摩爾超晶格表面的雙尺度粘-滑摩擦行為”(Dual-Scale Stick-Slip Friction on Graphene/h-BN MoiréSuperlattice Structure)。

清華大學航院李群仰教授和中國科學院上海微系統所王浩敏研究員為本文的通訊作者,參與該工作的還有清華大學航院馮西橋教授和機械系馬天寶副教授。清華大學航院博士後張帥為論文第一作者,航院姚泉舟博士參與了此項研究。該研究工作得到了國家自然科學基金專案、清華大學摩擦學國家重點實驗室自由探索項目、博士後創新人才支持計畫及清華大學“水木學者”計畫的資助。

論文連結:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.226101

本文標題: 清華大學航太航空學院李群仰、馮西橋課題組報導摩爾超晶格表面雙尺度粘-滑摩擦行為及力學機制
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1655996191541622
相关資料
清華電機系張寧、康重慶在我國電力系統碳中和轉型領域研究取得重要進展
近日,清華大學電機系張寧副教授與康重慶教授在我國電力系統碳中和轉型領域研究取得重要進展。未來我國電力系統實現碳中和的科技路徑、潜在效益、轉型成本與最終結構形態尚不明確。該論文的第一作者為清華大學電機系2017級博士生卓振宇,通訊作者為電機系
標籤: 可再生能源 能源 張寧 新能源 電力
北大深圳研究生院潘鋒團隊在Nature上發表揭示鋰電池富鋰層狀正極資料結構退化起源的研究工作
隨著人類社會對清潔能源的需求與日俱增,清潔能源的存儲愈發凸顯其重要性,為此需要發展更高能量密度的鋰離子電池來滿足人們日益增長的儲能需求。為此需要從根本上重新審視這一問題,其結構退化的起源及其原始驅動力至今沒有找到妥善的答案。
標籤: 鋰電池正極資料 nature 科普 過渡金屬
Science報導丨施一公團隊構建目前為止世界上最精確的脊椎動物NPC胞質環結構模型
大約在12~16億年前,原始的真核細胞出現。除細菌和藍藻外,真核生物幾乎涵蓋了所有動物和植物,當然也包括人類。此前,該團隊已成功解析了NPC中核質環和內環的高分辨結構,加上此次解析的CR亞基結構,三者共同構成了目前為止最詳細且最精確的NPC
標籤: 施一公 npc
大連化物所研製出可定制化全3D列印鋅離子雜化電容器
近日,中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組吳忠帥研究員團隊,提出了通過油墨直寫成型和熔融沉積成型兩種3D列印方法,構建全列印可定制水系鋅離子雜化電容器的新策略。
標籤: