【材料】清华大学雒建斌团队ACS AMI | 空位缺陷对摩擦力的非单调影响

英文原题： Nonmonotonic Effects of Atomic Vacancy Defects on Friction

通讯作者： 雒建斌，清华大学；郭丹，清华大学；谭新峰，清华大学

作者： Lina Zhang (张丽娜),  Weibin Chen (陈为彬) ，Jianguo Jiao（焦建国）

摩擦广泛存在于人类的生产和生活中，消耗了全球约 1/3 的一次能源。以过渡金属二硫化物（TMDC）和类金刚石碳涂层为代表的固体润滑剂可用作自润滑复合材料的表面涂层或添加剂，从而大大减少滑动过程中的摩擦磨损。固体润滑的理想状态是实现结构超润滑，将摩擦系数降至 0.001 甚至更低，并实现几乎零磨损。实现结构超润滑的理想条件之一是滑动发生在原子级的光滑表面上，从而使摩擦能量耗散接近于零。然而，润滑剂表面总是存在各种不可避免的缺陷，这些缺陷会破坏原子级的光滑，因此不利于实现超润滑。为了避免因材料缺陷导致的摩擦性能恶化，需要研究缺陷对摩擦的影响机制。

图1.  研究Te空位缺陷对摩擦过程影响的MD模型

近日， 清华大学雒建斌院士，郭丹研究员和谭新峰助理研究员 在 ACS Applied Materials & Interfaces 上发表了原子空位缺陷对摩擦力的非单调性的影响的研究。研究发现在原子力显微镜探针与样品的摩擦过程中，空位缺陷对摩擦的影响并不是单调的，而是缺陷势垒导致的滑动势垒增大和针尖位置调整引起的滑动势垒增大或者减小两个因素共同作用的结果。

图2.  单原子空位缺陷针尖原子的受力、高度变化及势能分布

如图2所示，单原子空位缺陷的存在会产生缺陷势垒，更大的缺陷势垒意味这针尖在滑动过程中会消耗更多的能量，会造成摩擦力的增大。在针尖划过缺陷的过程中，针尖接触区最前端的原子在针尖接近空位缺陷的过程中发挥着很重要的作用。针尖在滑动的过程中在垂直于滑动方向存在位置的调整，位置的变化会引入更低或者更高的滑动能垒，从而造成摩擦力的减小或增大。针尖位置的调整对于摩擦的影响在不同缺陷浓度样品的摩擦过程中的作用则更为明显（如图3所示）。

图3. 不同浓度的单原子空位缺陷对应的针尖质心位置的改变及其对应的能垒

研究团队发现了空位缺陷导致摩擦力增加，但摩擦力的变化呈现非单调特性。分子动力学模拟发现摩擦力的增加源于针尖需要克服缺陷造成的较高滑动能量障碍，而非单调性变化与针尖垂直于滑动方向的位置变化有关。这项工作揭示了针尖垂直滑动路径的位置优化对摩擦力的显著影响，为通过调节缺陷密度来改变润滑剂的润滑特性提供了指导。

相关论文发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上，清华大学 博士研究生张丽娜 为文章的第一作者，  雒建斌教授，郭丹研究员，谭新峰助理研究员 为共同通讯作者。

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ACS Appl. Mater. Interfaces.  2023, 15, 38, 45455–45464

Publication Date: September 18, 2023

https://doi.org/10.1021/acsami.3c09257

Copyright © 2023 American Chemical Society

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