在各種機械器件中，摩擦是能量損失的主要原因。通常人們需要使用液體潤滑劑減少摩擦損耗，比如在引擎，滾珠軸承和鉸鏈中。但是在一些實際應用場景中，這種潤滑劑無法很好的用于摩擦損耗的界面上，比如引擎，滾珠軸承和鉸鏈。而且，在一些真實的操作條件中，無法有效的將潤滑劑引入摩擦界面。比如高壓高溫環境中通常潤滑液體能夠蒸發導致形成摩擦性界面。此外，在真空或者低溫條件時，潤滑液體面臨冷凍的問題。因此發展能夠替代潤滑劑的方法是非常重要和必不可少的要求。在過去的一些年間，人們對于摩擦和損耗現象的理解得到非常深入的進展，能夠從原子和分子尺度提出了固體潤滑材料的新機制：超潤滑。通過超潤滑機制，能夠實現接近零磨損的效果，得到具有更好耐用性的無磨損材料。超潤滑機制是因為化學惰性2D層狀材料的界面具有各向異性化學性質，其中原子層厚度材料的層之間通過長程弱相互作用實現。當相鄰兩層原子堆疊結構并不是處于正常晶格狀態，層之間的摩擦相互作用能夠在很大程度上消除，而且這種形式在異質結天然構建的結構。通過異質結的晶格不匹配，能夠阻礙層之間形成高摩擦狀態。目前多種異質結層狀材料能夠在溫和條件含有污染物雜質的情況中形成此類結構。消除側向力是實現超潤滑現象的必要點，但是當存在表面缺陷、臺階、邊緣位點時受到限制和阻礙。因此，理解這些缺陷結構對側向力的貢獻，并且控制和消除這些不希望的效應至關重要。圖1. 增加邊緣能量耗散在層狀材料中實現超潤滑效應。有鑒于此，特拉維夫大學Oded Hod、Michael Urbakh對目前相關領域的最近進展工作進行介紹。中科院物理所張廣宇等發展了MoS2和BN之間通過大晶格失配接觸形成超低摩擦系數的異質結。與以往研究中晶格失配度較低的異質結不同，MoS2和BN接觸面之間的原子晶格取向不會影響磨損力。作者發展了一種能夠分別對邊緣、表面、臺階對摩擦產生的作用進行區分的方法，通過實驗標度分析，驗證了大晶格失配體系（石墨烯/MoS2、BN/MoS2）中導致摩擦作用的主要原因來自邊緣釘扎效應（edge pinning effect）。通過分子動力學模擬，作者發現與其他表面原子相比，晶體邊緣S原子呈現更高的空間波動，因此邊緣位點原子更容易被基底表面勢最低的位點捕獲。通過高分辨率TEM表征，發現邊緣位點產生顯著的晶格畸變，進一步驗證了該結論。在這種大晶格失配異質結中，存在邊緣位點原子時，摩擦界面能夠鎖定并且導致摩擦力顯著增加；在較小的晶格失配界面上（比如石墨烯/BN），摩擦力的主要部分是表面剪切力而非邊緣釘扎。這個現象說明，在較小晶格失配和較高晶格失配異質結層狀材料界面體系中，摩擦機制呈現顯著的不同。因此，設計超低摩擦的材料2D層狀異質結材料的關鍵是：使用兩種具有較高晶格失配度的材料，消除界面臺階結構。圖2. 二維材料異質結（石墨烯/MoS2、BN/MoS2、石墨烯/BN）材料的結構和摩擦性質表征。探索結構超潤滑現象需要廣泛領域的研究者關注，理解和研究這種超潤滑現象可能在摩擦學領域實現巨大突破進展，為微電子學器件、能量收集器件，一些具有廣泛潛在應用前景的領域提供幫助，有助于該領域在工業應用上得到進一步發展。中科院物理所張廣宇等在晶格失配層狀材料的相關研究進展為研究層狀材料的相關基本問題和實際應用開創了一條可行路線。同時計算化學領域仍面臨著一些挑戰和缺點，比如發展對材特定組成材料針對性的合適力場，實現描述層狀材料界面的各向異性。能夠將計算模擬與界面情況更好的契合，摩擦滑移速率與實驗情況更加相符，引入層間反應勢能夠模擬磨損效應。1. Hod, O., Urbakh, M. Sliding on the edge. Nat. Mater. 21, 12–14 (2022).DOI: 10.1038/s41563-021-01112-1https://www.nature.com/articles/s41563-021-01112-12. Liao, M., Nicolini, P., Du, L. et al. UItra-low friction and edge-pinning effect in large-lattice-mismatch van der Waals heterostructures. Nat. Mater. 21, 47–53 (2022).DOI: 10.1038/s41563-021-01058-4https://www.nature.com/articles/s41563-021-01058-4
