金刚石纳米颗粒和石墨烯的组合可实现“超润滑”

来自美国能源部阿尔贡国家实验室的研究人员构造了一种由石墨烯和金刚石组合而成的新材料，几乎能够完全克服摩擦。该特性被称为超润滑，是一系列机械系统高度追求的特性。

缩放到原子尺度，摩擦是因为原子卡在一起，使它们彼此很难通过。就像在一个装鸡蛋箱子上面滑动另一个箱子一样，滑动过程中它们会获得缠结在一起。

为了构造一种可以消除这种现象的材料，研究团队结合三个关键组分-金刚石纳米颗粒，类金刚石碳表面和众多小片状石墨烯。

后者是一种具有极强导电能力的碳同素异构体，仅有一个原子层厚，形成二维六角形晶格。我们已经看到这种材料广泛的潜在用途，包括纺织品、照明和防弹衣，目前研究人员在思考一种大规模生产可行的方法。

结合这三种材料，阿贡国家实验室的研究人员观察到在摩擦时，石墨烯片与金刚石纳米颗粒在类金刚石碳表面上相互作用。实际上，石墨烯在金刚石颗粒周围的卷起来，产生了微型球类轴承结构，研究人员称之为纳米卷。

这些纳米卷能够在滑动过程中改变方向，从而防止两个表面锁在一起。研究人员对其进行测试来证明这是在纳米级别发生的现象，也在阿贡领先计算设施使用了米拉超级计算机来进行大规模原子计算，表明该现象在宏观尺度上的也同样有效，至少在理论上如此。

虽然这些结果非常有前景，但团队也遇到一个令人困惑的问题。钻石/石墨烯组合材料在干燥条件下可极好地工作，但处在潮湿的环境时，超润滑特性不能维持。

为了解开奥秘，研究者再次转向了原子计算，表明水层的存在抑制了纳米卷的形成，导致了更高的摩擦。

团队认为，该发现可能会对这个领域产生重大影响。

“每个人都梦想在广泛的机械系统中实现超润滑，但这是一个很难实现的目标，”研究员说。“从这项研究中获得的知识对减磨设计至关重要，可应用到从发动机或涡轮机到计算机硬盘和微机电系统”中。

这项研究结果被发表在《科学快报》杂志上。