李群仰、冯西桥课题组报道摩尔超晶格表面双尺度粘-滑摩擦行为及力学机制

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近日，清华大学航天航空学院李群仰、冯西桥教授课题组报道了二维范德华异质结构表面独特的双尺度粘-滑摩擦行为，借助改进的理论模型，首次阐明了异质界面变形对表面摩擦行为的影响，揭示了二维范德华层状材料内部堆垛状态对表面摩擦行为的调控机制，为理解微观摩擦耗散机制、发展摩擦的主动调控策略提供了指导和参考。
      作为一种典型的摩擦行为，“粘滞-滑动”（简称“粘-滑”）现象广泛存在于各个尺度的接触滑动界面。特别地，原子尺度的“粘-滑”摩擦行为，由于其与摩擦耗散机制和摩擦的本源密切相关，受到了大量关注。早在1987年，来自IBM研究中心的梅特（Mate）等人使用钨探针在石墨表面滑动时，首次发现了周期与石墨晶格常数一致的原子尺度“粘-滑”摩擦现象。这种原子尺度“粘-滑”摩擦行为可以通过经典的Prandtl-Tomlinson（P-T）模型进行解释：即考虑一根线性弹簧拖拽一个质点小球在固定的周期性势垒上运动，当弹簧刚度系数和能垒起伏满足一定条件时，由于系统的失稳，小球会发生缓慢移动（即“粘滞”状态）与快速跳跃（即“滑动”状态）相互交替的运动行为。根据P-T模型的理论预测以及现有的实验观测，原子尺度“粘-滑”的跳跃周期大都与材料表面晶格常数相一致。
        该研究工作中，研究团队借助摩擦力显微镜，对石墨烯/六方氮化硼范德华异质结表面的摩擦行为进行了测试。由于石墨烯和六方氮化硼存在微小的晶格失配，两种材料的堆垛界面会存在摩尔超晶格结构，如图1所示。摩擦表征的结果表明，除了传统的原子尺度“粘-滑”摩擦行为，在摩尔超晶格尺度同样存在清晰的“粘-滑”行为，如图1所示。而且，当研究团队依次对不同尺度的“粘-滑”行为进行激活时，系统的摩擦耗散会出现独特的滑动距离依赖性。这种双尺度的“粘-滑”摩擦行为尚无法用目前已知的摩擦理论进行解释。

图1.（a）石墨烯/h-BN异质结表面摩擦行为表征示意图及高分辨扫描隧道显微镜（STM）表征结果；（b）摩尔超晶格尺度的粘-滑摩擦行为；（c）原子尺度的粘-滑摩擦行为

         为了理解这种独特的双周期“粘-滑”摩擦行为背后的物理机制，研究团队发展了一个考虑石墨烯变形能和层间堆垛状态的改进P-T模型，如图2所示。借助该理论模型和数值计算，进一步揭示了实验中观察到的双尺度“粘-滑”摩擦行为可能源于探针压力作用下局部堆垛转变诱导的异质界面变形。传统P-T模型中，探针失稳跳跃是原子尺度“粘-滑”摩擦现象发生的核心机制，但该研究表明，对于层状范德华材料，探针压力作用下二维材料原子层内部应变的积累和释放也会导致独特的摩尔超晶格尺度的“粘-滑”摩擦行为，如图2所示。该发现进一步拓展了人们当前对于粘-滑摩擦背后力学机制的认知，也为调控范德华层状材料表面的摩擦行为提供了一种新策略。

图2.（a）改进的P-T模型示意图；（b）数值计算获得的摩尔超晶格尺度的粘-滑摩擦曲线；（c）与粘-滑摩擦曲线对应的石墨烯变形量的变化；（d）两个典型时刻的异质界面变形示意图

         该研究工作于6月2日在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊，论文题为“石墨烯/六方氮化硼摩尔超晶格表面的双尺度粘-滑摩擦行为”（Dual-Scale Stick-Slip Friction on Graphene/h-BN Moiré Superlattice Structure）。
         清华大学航院李群仰教授和中国科学院上海微系统所王浩敏研究员为本文的通讯作者，参与该工作的还有清华大学航院冯西桥教授和机械系马天宝副教授。清华大学航院博士后张帅为论文第一作者，航院姚泉舟博士参与了此项研究。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、清华大学摩擦学国家重点实验室自由探索项目、博士后创新人才支持计划及清华大学“水木学者”计划的资助。
        论文链接：https://journals.aps.org/prl/abs ... sRevLett.128.226101


         文章来源：清华大学
       李群仰，博士，清华大学航天航空学院工程力学系长聘教授。1997年进入清华大学工程力学系学习，2001年获学士学位，2003年获固体力学专业硕士学位。2003年进入美国布朗大学工程系学习，2008年获固体力学专业博士学位并于同年加入美国宾夕法尼亚大学机械与应用力学系先后任Postdoctoral Researcher 和Research Scientist。2011年加入清华大学工程力学系，历任副教授、长聘副教授、教授。
        冯西桥，男，1968 年生。现任清华大学工程力学系生物力学与医学工程研究所所长，中国力学学会秘书长和常务理事、固体力学专业委员会和生物力学专业委员会委员，教育部高等学校教学指导委员会力学类专业教学指导分委员会委员。主要从事固体力学和生物力学的研究工作，包括微纳米力学、生物材料力学与仿生、细胞力学、细观损伤与断裂力学等方面。已发表专著2部，SCI论文160余篇。曾获全国优秀博士学位论文奖（1999）、教育部跨世纪优秀人才基金（2000）、霍英东教育基金会第九届高等院校青年教师研究基金 (一等，2004) 、国家杰出青年科学基金（2005）、清华大学优秀青年教师奖（2005）、第十届中国青年科技奖（2007）、中国高校自然科学一等奖（2008）等奖励。