近日，中國科學(xué)院院士、中科院蘭州化學(xué)物理研究所劉維民研究員和西北工業(yè)大學(xué)齊衛(wèi)宏教授在二維材料層間摩擦力的摩爾紋效應(yīng)研究方面取得新進(jìn)展。

　　二維材料層間以范德華力結(jié)合，這種弱的非鍵相互作用使得二維材料之間可以任意堆疊而無需晶格匹配，容易形成摩爾紋超結(jié)構(gòu)（圖1）。摩爾紋隨二維材料層間旋轉(zhuǎn)而變化，且與層間摩擦力密切相關(guān)，適當(dāng)?shù)膶娱g旋轉(zhuǎn)可以形成特定的摩爾紋，使得摩擦力近乎消失（摩擦系數(shù)小于0.001），實(shí)現(xiàn)層間超潤滑。截至目前，二維材料形成的摩爾紋對(duì)摩擦性能的影響規(guī)律尚不明確，缺乏合適的理論模型，相關(guān)工作已成為二維材料層間摩擦力研究的前沿內(nèi)容。

　　齊衛(wèi)宏教授和劉維民院士認(rèn)為，二維材料的層間摩擦力主要來源于層間勢(shì)能面的起伏，而二維材料旋轉(zhuǎn)體系中的勢(shì)能面起伏主要是由摩爾紋的不規(guī)則截?cái)嗨鶎?dǎo)致。基于該思路，研究團(tuán)隊(duì)通過理論分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得了摩爾紋對(duì)二維材料摩擦性能的影響規(guī)律，進(jìn)一步推導(dǎo)出預(yù)測二維材料摩爾紋效應(yīng)的解析表達(dá)式。

　　研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，二維材料摩擦副的幾何構(gòu)象對(duì)摩擦的影響可以統(tǒng)一地從摩爾紋的角度進(jìn)行研究。雖然從經(jīng)典的摩擦理論無法解釋摩爾紋對(duì)摩擦的影響，但可從摩爾紋的幾何結(jié)構(gòu)和能量特征出發(fā)研究其對(duì)摩擦性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)完整摩爾超晶格內(nèi)的勢(shì)能起伏接近于0，且無限大旋轉(zhuǎn)體系中摩爾紋對(duì)勢(shì)能起伏的影響可由如下公式描述：

　　其中，α和β是待定的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，α是組分晶格的周期，L是摩爾紋尺寸。圖2表明該公式很好地與分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果相吻合。有限大體系中勢(shì)能起伏主要由摩爾紋的不規(guī)則截?cái)鄬?dǎo)致，研究人員推導(dǎo)出摩爾紋尺寸、滑塊尺寸在旋轉(zhuǎn)體系中對(duì)勢(shì)能起伏U的定量關(guān)系：

　　其中，U₀是局域勢(shì)能函數(shù)的振幅（圖3），？是滑塊尺寸，L是摩爾紋尺寸，η則是兩者比值，并假定滑塊的形狀及取向與摩爾超晶格完全一致。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員證明該公式對(duì)同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)都適用（圖4）。

　　局域勢(shì)能函數(shù)具體代表的是局部勢(shì)能隨局部配置的分布，該函數(shù)的振幅U₀是與宏觀的旋轉(zhuǎn)、尺寸及形狀無關(guān)的，代表的是材料結(jié)合能在滑動(dòng)過程中變化幅度的本征屬性，一旦確定了U₀，便可以通過對(duì)局域勢(shì)能函數(shù)積分預(yù)測任意幾何構(gòu)型下的勢(shì)能起伏，從而計(jì)算出摩擦力。該研究成果對(duì)深入研究二維材料摩擦性能具有重要意義，可應(yīng)用于高通量篩選和設(shè)計(jì)新的超潤滑二維材料體系。

　　相關(guān)研究成果以“Moiré pattern effect on sliding friction of two-dimensional materials”為題發(fā)表在Tribology International上。齊衛(wèi)宏教授和劉維民院士為通訊作者。

　　該工作得到了國家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的資助。

圖1 摩爾紋示意圖

圖2 無限大旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯中勢(shì)能起伏隨摩爾紋周期的變化，曲線是公式（1）的預(yù)測

圖3 局域勢(shì)能的示意圖。（左）石墨烯/六方氮化硼的每個(gè)原子的勢(shì)能（不同顏色代表不同勢(shì)能）；（右）局域勢(shì)能可以在一維用sin函數(shù)模擬

圖4 分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算檢驗(yàn)勢(shì)能起伏函數(shù)。（左）旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯；（右）石墨烯/六方氮化硼