刘维民等揭示摩尔纹对二维材料摩擦性能影响规律

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近日，中国科学院院士、中科院兰州化学物理研究所刘维民研究员和西北工业大学齐卫宏教授在二维材料层间摩擦力的摩尔纹效应研究方面取得新进展。
　　二维材料层间以范德华力结合，这种弱的非键相互作用使得二维材料之间可以任意堆叠而无需晶格匹配，容易形成摩尔纹超结构（图1）。摩尔纹随二维材料层间旋转而变化，且与层间摩擦力密切相关，适当的层间旋转可以形成特定的摩尔纹，使得摩擦力近乎消失（摩擦系数小于0.001），实现层间超润滑。截至目前，二维材料形成的摩尔纹对摩擦性能的影响规律尚不明确，缺乏合适的理论模型，相关工作已成为二维材料层间摩擦力研究的前沿内容。
　　齐卫宏教授和刘维民院士认为，二维材料的层间摩擦力主要来源于层间势能面的起伏，而二维材料旋转体系中的势能面起伏主要是由摩尔纹的不规则截断所导致。基于该思路，研究团队通过理论分析和分子动力学模拟获得了摩尔纹对二维材料摩擦性能的影响规律，进一步推导出预测二维材料摩尔纹效应的解析表达式。
　　研究团队认为，二维材料摩擦副的几何构象对摩擦的影响可以统一地从摩尔纹的角度进行研究。虽然从经典的摩擦理论无法解释摩尔纹对摩擦的影响，但可从摩尔纹的几何结构和能量特征出发研究其对摩擦性能的影响。研究发现，一个完整摩尔超晶格内的势能起伏接近于0，且无限大旋转体系中摩尔纹对势能起伏的影响可由如下公式描述：

图1 摩尔纹示意图

　　其中，α和β是待定的经验参数，α是组分晶格的周期，L是摩尔纹尺寸。图2表明该公式很好地与分子动力学计算结果相吻合。有限大体系中势能起伏主要由摩尔纹的不规则截断导致，研究人员推导出摩尔纹尺寸、滑块尺寸在旋转体系中对势能起伏U的定量关系：
　　其中，U0是局域势能函数的振幅，ɩ是滑块尺寸，L是摩尔纹尺寸，η则是两者比值，并假定滑块的形状及取向与摩尔超晶格完全一致。通过分子动力学模拟，研究人员证明该公式对同质结与异质结都适用。
　　局域势能函数具体代表的是局部势能随局部配置的分布，该函数的振幅U0是与宏观的旋转、尺寸及形状无关的，代表的是材料结合能在滑动过程中变化幅度的本征属性，一旦确定了U0，便可以通过对局域势能函数积分预测任意几何构型下的势能起伏，从而计算出摩擦力。该研究成果对深入研究二维材料摩擦性能具有重要意义，可应用于高通量筛选和设计新的超润滑二维材料体系。
　　相关研究成果以“Moiré pattern effect on sliding friction of two-dimensional materials”为题发表在Tribology International上。齐卫宏教授和刘维民院士为通讯作者。
　　该工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。
       文章来源：兰州化物所
       刘维民，男，博士，中国科学院兰州化学物理研究所研究员，博士研究生导师。2013年当选中国科学院院士，2015年入选亚太材料科学院（APAM-Asian Pacific Academy of Materials）院士，2016年被选为发展中国家科学院（TWAS）院士。1984年毕业于山东师范大学化学系，1990年于中国科学院兰州化学物理研究所获得理学博士学位，之后工作于中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑开放研究实验室（2000年成为国家重点实验室），从事润滑材料及摩擦化学等研究工作。期间曾于1993至1994年在美国宾夕法尼亚州立大学作为高级访问学者从事为期一年的合作研究。2000年起担任固体润滑国家重点实验室主任；2002至2005年担任兰州化学物理研究所副所长及主持工作副所长；2005至2012年担任兰州化学物理研究所所长。2011至2015年担任中国机械工程学会摩擦学分会主任委员。目前兼任中国化学会、中国机械工程学会、中国微纳米学会、中国空间科学学会理事；Tribology International 共同主编（3个Editor之一），《摩擦学学报》常务副主编，Advanced Materials & Interfaces等杂志编委会委员；山东师范大学、湖北大学名誉教授，西北工业大学、山东大学、英国南安普顿大学访问教授。
       齐卫宏，教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才（2008），湖南省杰出青年基金获得者（2013），中南大学“升华学者“特聘教授（2011-2016），爱思唯尔中国高被引学者（2020），入选全球前2%顶尖科学家之"终身科学影响力排行榜(1960-2020)"和"年度科学影响力排行榜（2019年、2020年）"。主要研究领域：1. 超润滑及纳米摩擦学；2. 二维光电材料及器件；3. 计算材料学（第一性原理、分子动力学）；4. 机器学习及材料设计。主持了二十项科研课题（国家自然科学基金3项）。在Accounts of Chemical Research、Advanced Functional Materials、Research、Small、Tribology International等刊物上发表论文145篇，论文被引3790次，单篇最高被引368次，H指数为32。以第一完成人获湖南省自然科学奖二等奖、湖南省优秀自然科学论文一等奖，还获得黄培云教育奖、陈新民教育奖、中国电信教育奖、第四届中国有色金属A级优秀图书奖等。出版教材《固体物理与计算材料》及《固体物理与计算材料导论》。指导毕业博士硕士20人，指导的研究生三人次获省优秀硕士论文奖，五人次获校优秀硕士论文奖。