这个MoS2，为什么登上Nature Materials？
纳米人
2022-01-05
在各种机械器件中，摩擦是能量损失的主要原因。通常人们需要使用液体润滑剂减少摩擦损耗，比如在引擎，滚珠轴承和铰链中。但是在一些实际应用场景中，这种润滑剂无法很好的用于摩擦损耗的界面上，比如引擎，滚珠轴承和铰链。而且，在一些真实的操作条件中，无法有效的将润滑剂引入摩擦界面。比如高压高温环境中通常润滑液体能够蒸发导致形成摩擦性界面。此外，在真空或者低温条件时，润滑液体面临冷冻的问题。因此发展能够替代润滑剂的方法是非常重要和必不可少的要求。在过去的一些年间，人们对于摩擦和损耗现象的理解得到非常深入的进展，能够从原子和分子尺度提出了固体润滑材料的新机制：超润滑。通过超润滑机制，能够实现接近零磨损的效果，得到具有更好耐用性的无磨损材料。超润滑机制是因为化学惰性2D层状材料的界面具有各向异性化学性质，其中原子层厚度材料的层之间通过长程弱相互作用实现。当相邻两层原子堆叠结构并不是处于正常晶格状态，层之间的摩擦相互作用能够在很大程度上消除，而且这种形式在异质结天然构建的结构。通过异质结的晶格不匹配，能够阻碍层之间形成高摩擦状态。目前多种异质结层状材料能够在温和条件含有污染物杂质的情况中形成此类结构。消除侧向力是实现超润滑现象的必要点，但是当存在表面缺陷、台阶、边缘位点时受到限制和阻碍。因此，理解这些缺陷结构对侧向力的贡献，并且控制和消除这些不希望的效应至关重要。图1. 增加边缘能量耗散在层状材料中实现超润滑效应。有鉴于此，特拉维夫大学Oded Hod、Michael Urbakh对目前相关领域的最近进展工作进行介绍。中科院物理所张广宇等发展了MoS2和BN之间通过大晶格失配接触形成超低摩擦系数的异质结。与以往研究中晶格失配度较低的异质结不同，MoS2和BN接触面之间的原子晶格取向不会影响磨损力。作者发展了一种能够分别对边缘、表面、台阶对摩擦产生的作用进行区分的方法，通过实验标度分析，验证了大晶格失配体系（石墨烯/MoS2、BN/MoS2）中导致摩擦作用的主要原因来自边缘钉扎效应（edge pinning effect）。通过分子动力学模拟，作者发现与其他表面原子相比，晶体边缘S原子呈现更高的空间波动，因此边缘位点原子更容易被基底表面势最低的位点捕获。通过高分辨率TEM表征，发现边缘位点产生显著的晶格畸变，进一步验证了该结论。在这种大晶格失配异质结中，存在边缘位点原子时，摩擦界面能够锁定并且导致摩擦力显著增加；在较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边缘钉扎。这个现象说明，在较小晶格失配和较高晶格失配异质结层状材料界面体系中，摩擦机制呈现显著的不同。因此，设计超低摩擦的材料2D层状异质结材料的关键是：使用两种具有较高晶格失配度的材料，消除界面台阶结构。图2. 二维材料异质结（石墨烯/MoS2、BN/MoS2、石墨烯/BN）材料的结构和摩擦性质表征。探索结构超润滑现象需要广泛领域的研究者关注，理解和研究这种超润滑现象可能在摩擦学领域实现巨大突破进展，为微电子学器件、能量收集器件，一些具有广泛潜在应用前景的领域提供帮助，有助于该领域在工业应用上得到进一步发展。中科院物理所张广宇等在晶格失配层状材料的相关研究进展为研究层状材料的相关基本问题和实际应用开创了一条可行路线。同时计算化学领域仍面临着一些挑战和缺点，比如发展对材特定组成材料针对性的合适力场，实现描述层状材料界面的各向异性。能够将计算模拟与界面情况更好的契合，摩擦滑移速率与实验情况更加相符，引入层间反应势能够模拟磨损效应。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
