清華大學機械系在石墨烯超滑研究領域取得重要進展
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清華大學機械工程系、摩擦學國家重點實驗室聯合中國科學院化學研究所等單位，在利用石墨烯實現固體超滑領域取得重要進展。相關成果于2月14日發表在Nature Communications。
該研究中，研究人員設計并制備出一款用于原子力顯微鏡的鍍有石墨烯的微球探針，實現了石墨烯與石墨烯之間微觀摩擦力的測量，并且獲得了擁有“魯棒”特性的超低摩擦：適用于較寬范圍的載荷、環境氣氛、濕度、掃描范圍以及速度等實驗條件，同時超滑狀態也可以維持較長時間。此外這種石墨烯探針也可以在其他二維材料，如六方氮化硼（h-BN）晶體上獲得超滑，從而實現了異質二維材料之間的摩擦測量。
清華大學摩擦學國家重點實驗室聯合中科院化學所設計并制備出了鍍有石墨烯的原子力顯微鏡微球探針。利用無金屬催化的方法直接在氧化硅微球上生長多層多晶石墨烯，再將石墨烯微球粘在無探針的懸臂梁上。此種制備方法避免了石墨烯轉移過程引入的雜質，同時石墨烯與基底具有較好的膜基結合力。
石墨烯微球探針在對天然石墨、高定向熱解石墨（HOPG）、機械剝離石墨烯以及六方氮化硼晶體的摩擦實驗中均獲得了超低摩擦（摩擦系數最低可達0.003）。這種超低摩擦不受探針與基底之間的相對轉角的影響，同時超滑狀態能夠在較高粗糙峰接觸壓力下持續較長時間。通過高分辨AFM原子取向分析、接觸力學計算和分子動力學模擬，研究人員揭示了這種持久穩定的超低摩擦機理：石墨烯微球表面的多粗糙峰形貌以及石墨烯的多晶結構使得石墨烯微球與樣品間形成一種穩定的“準非公度接觸”，即多粗糙峰包覆石墨烯隨機取向的接觸狀態。另外，超滑的實驗結果不易受環境氣氛和濕度影響，能夠在干燥氮氣、大氣和潮濕空氣（相對濕度51%）下實現，這種現象或可歸因于石墨烯探針與石墨基底的雙面疏水特性。該研究為固體潤滑和超滑系統設計提供了新的思路，此外該石墨烯探針方法同樣可推廣到其他二維材料或者異質二維材料間的固體超滑研究。
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