多层石墨烯是一种很有前途的碳基纳米材料，适用于各种下一代技术，但其表面结构和性能之间的关系尚不完全清楚。在最近的一项研究中，釜山国立大学的科学家们分析了像褶皱和折叠网络这样的表面结构如何影响多层石墨烯的纳米尺度摩擦。他们的发现可能为石墨烯固体润滑剂和微/纳米级机械装置铺平道路。
石墨烯由单层碳原子组成，是碳基二维纳米材料的典型代表。它具有许多优异特性，可以在下一代电子、光学、催化、生物医学和许多其他领域加以开发应用。近年来，许多科学家将化学气相沉积 (CVD) 作为一种成本效益高的技术来生产更大的石墨烯表面，以代替成熟的机械剥离方法，后者只能产生小尺寸石墨烯。
然而，CVD 石墨烯包含相当多的表面结构和缺陷，包括褶皱、晶界和表面污染。由于石墨烯非常薄，即使是微小的表面不规则性也会极大地影响其性能，使其表面-性能关系成为重要的研究课题。虽然目前已经针对单层 CVD 石墨烯对该主题进行了广泛的研究，但很少有人关注表面结构如何影响多层 CVD 石墨烯的纳米级摩擦特性。
最近，韩国釜山国立大学的一组研究人员在助理教授 Songkil Kim 的带领下解决了这一知识缺口。“将表面特性与材料特性相关联非常重要，”Kim 博士解释说，“想象一下，您正在堆叠纸张，这些纸张上存在巨大的压缩应变。这可能会导致堆叠层和表面发生巨大的结构变形。同样，多层石墨烯中发生的结构变化会影响其表面特性，例如摩擦力，这也是我们关注的重点。” 他们的研究成果于近日发表在 Applied Surface Science 上。
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.152572
研究小组首先使用原子力显微镜(AFM)的原子大小的尖端刮擦CVD多层石墨烯的表面，清除任何聚合物残留物。然后，他们使用AFM成像、摩擦力显微镜和拉曼光谱来识别和研究各种表面结构以及它们如何影响纳米尺度的摩擦。有趣的是，他们发现只有最顶层的石墨烯层相对于其他层发生了扭曲，这影响了层相关的纳米尺度摩擦，其方式根据施加的载荷而变化。
总体而言，这项研究的发现可以为 CVD 石墨烯的有趣机械应用铺平道路。“石墨烯和类似材料可用作固体润滑剂，”Kim 博士评论说，“虽然像机油这样的液体润滑剂不适合外太空或极地地区等恶劣环境，但石墨烯优异的坚固性和摩擦性能使其成为一个有吸引力的无毒替代品。”
有趣的是，开发高性能润滑油对环境有益，因为减少摩擦对于防止机械系统中的能量损失至关重要。多层CVD石墨烯的另一个潜在应用是在微/纳米器件上，这需要对摩擦进行精确控制。
相关文献：
Min Gi Choi, Seonha Park, Habeom Lee, Songkil Kim. Correlating surface structures and nanoscale friction of CVD Multi-Layered graphene. Applied Surface Science, 2022; 584: 152572 DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.152572
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