南加州大学化学工程与材料科学系Haoxuan Li等–石墨烯包覆二氧化硅纳米颗粒薄膜的超低摩擦

本文旨在寻求减少摩擦和磨损以促进移动机器部件节能和可靠性。在这项工作中，我们通过分子动力学模拟证明了石墨烯包覆的二氧化硅纳米颗粒薄膜在金刚石(1 1 1)表面的超低摩擦。通过将2.7nm大小的二氧化硅纳米颗粒包裹在C₇₂₀富勒烯笼中制备包覆纳米颗粒，用于构建具有面心立方(1 1 1)结构的单层膜。结果表明，对于高达18 GPa的载荷，摩擦系数超低，μ~0.07。超低摩擦和高抗压强度归因于涂层结构，该结构将C₇₂₀富勒烯优异的低摩擦系数与二氧化硅纳米颗粒的纳米承载能力协同起来。实现涂层纳米颗粒薄膜的超低摩擦有可能提高机器和设备的可靠性，延长其工作寿命，同时降低其运行能耗要求。

图1. 初始涂层二氧化硅纳米颗粒结构模型模拟图。(a)C₇₂₀富勒烯结构。(b)由无定形二氧化硅结构雕刻而成的二氧化硅纳米颗粒。红色和蓝色的球体分别表示硅原子和氧原子。(c)包覆纳米颗粒，其中球形二氧化硅纳米颗粒被C₇₂₀富勒烯包裹，并在300K下弛豫。(d)纳米颗粒膜由紧密堆积的FCC(1 1 1)单层超晶胞组成。(e)纳米颗粒薄膜夹在金刚石片中间。不同的颜色表示模型中的不同原子群。红色区域是运动控制部分，允许系统沿红色箭头方向移动，而下部金刚石片的黑色区域保持固定。

图2. 包覆单层纳米颗粒、C₇₂₀富勒烯和二氧化硅纳米颗粒膜在压缩加载和卸载时的应力-应变曲线。(a)不同系统的应力-应变曲线。（b）包覆纳米颗粒膜的应力-应变曲线，包括不同压力时的卸载曲线。

图3. C₇₂₀球体参数a和c随应力的变化。(a)球体形状描述：参数a和c分别表示赤道半径和从中心到两级的距离。(b)球体参数随外加压应力的变化。（c） 20GPa压应力下包覆纳米颗粒膜的结构。

图4.包覆纳米颗粒膜模型的摩擦力和摩擦系数。

图5. 在摩擦模拟过程中，不同基团之间产生的键的数量与外加应力的关系。

相关研究成果由南加州大学化学工程与材料科学系Haoxuan Li等人于2022年发表在Computational Materials Science(https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.111184)上。原文：Ultralow friction of graphene-coated silica nanoparticle film。