近日，清華大學(xué)機(jī)械工程系、摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所等單位，在利用石墨烯實(shí)現(xiàn)固體超滑領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“利用鍍有石墨烯的微球在高接觸壓力下實(shí)現(xiàn)魯棒性的微觀超滑”（Robustmicroscalesuperlubricityunderhighcontactpressureenabledbygraphene-coatedmicrosphere）為題于2月14日發(fā)表在《自然·通訊》（NatureCommunications）。

該研究中，研究人員設(shè)計(jì)并制備出一款用于原子力顯微鏡的鍍有石墨烯的微球探針，實(shí)現(xiàn)了石墨烯與石墨烯之間微觀摩擦力的測(cè)量，并且獲得了擁有“魯棒”特性的超低摩擦：適用于較寬范圍的載荷、環(huán)境氣氛、濕度、掃描范圍以及速度等實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)超滑狀態(tài)也可以維持較長(zhǎng)時(shí)間。此外這種石墨烯探針也可以在其他二維材料，如六方氮化硼（h-BN）晶體上獲得超滑，從而實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)二維材料之間的摩擦測(cè)量。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約1/3的一次性能源由摩擦消耗，愈演愈烈的能源危機(jī)更突顯了摩擦學(xué)研究的現(xiàn)實(shí)意義。超滑是揭示摩擦能量耗散的起源以及探索降低摩擦能耗途徑的重要研究方向。近年來(lái)二維材料因其層間弱范德華作用以及優(yōu)異的摩擦學(xué)特性引起了廣泛關(guān)注。如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持久、對(duì)環(huán)境氣氛不敏感的超滑狀態(tài)，對(duì)實(shí)現(xiàn)石墨烯超滑的應(yīng)用有著重要意義。清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中科院化學(xué)所設(shè)計(jì)并制備出了鍍有石墨烯的原子力顯微鏡微球探針。利用無(wú)金屬催化的方法直接在氧化硅微球上生長(zhǎng)多層多晶石墨烯，再將石墨烯微球粘在無(wú)探針的懸臂梁上。此種制備方法避免了石墨烯轉(zhuǎn)移過(guò)程引入的雜質(zhì)，同時(shí)石墨烯與基底具有較好的膜基結(jié)合力。

石墨烯微球探針在對(duì)天然石墨、高定向熱解石墨（HOPG）、機(jī)械剝離石墨烯以及六方氮化硼晶體的摩擦實(shí)驗(yàn)中均獲得了超低摩擦（摩擦系數(shù)最低可達(dá)0.003）。這種超低摩擦不受探針與基底之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角的影響，同時(shí)超滑狀態(tài)能夠在較高粗糙峰接觸壓力下持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。通過(guò)高分辨AFM原子取向分析、接觸力學(xué)計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員揭示了這種持久穩(wěn)定的超低摩擦機(jī)理：石墨烯微球表面的多粗糙峰形貌以及石墨烯的多晶結(jié)構(gòu)使得石墨烯微球與樣品間形成一種穩(wěn)定的“準(zhǔn)非公度接觸”，即多粗糙峰包覆石墨烯隨機(jī)取向的接觸狀態(tài)。另外，超滑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不易受環(huán)境氣氛和濕度影響，能夠在干燥氮?dú)?、大氣和潮濕空氣（相?duì)濕度51%）下實(shí)現(xiàn)，這種現(xiàn)象或可歸因于石墨烯探針與石墨基底的雙面疏水特性。該研究為固體潤(rùn)滑和超滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的思路，此外該石墨烯探針方法同樣可推廣到其他二維材料或者異質(zhì)二維材料間的固體超滑研究。

清華大學(xué)機(jī)械系副教授馬天寶、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員于貴、以及清華大學(xué)機(jī)械系教授雒建斌為該論文的通訊作者。該論文的第一作者為清華大學(xué)機(jī)械系博士生劉淑娓，第二作者為中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所博士生王華平。此論文是繼2016年10月在《自然·通訊》發(fā)表“莫爾條紋穩(wěn)定石墨烯超低摩擦狀態(tài)”（Robustultra-low-frictionstateofgrapheneviamoirésuperlatticeconfinement）論文后，該課題組在二維材料固體超滑領(lǐng)域的又一重要進(jìn)展。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委重大科研儀器研制項(xiàng)目、基金委重大項(xiàng)目、973項(xiàng)目、基金委優(yōu)秀青年基金、萬(wàn)人計(jì)劃青年拔尖人才項(xiàng)目、摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題等相關(guān)研究計(jì)劃支持。分子動(dòng)力學(xué)模擬在清華大學(xué)高性能計(jì)算中心“探索100”平臺(tái)上完成。