东华大学机械工程学院彭倚天教授装备载流界面摩擦取得系列进展

摩擦消耗了超过世界上1/3的一次能源，80 %的机械装备和关键零部件因摩擦磨损而失效。控制机械表界面摩擦和降低摩擦能量耗散，对减少能源消耗，实现“双碳”目标具有重要意义。二维材料具有独特的结构和优异的润滑特性，广泛应用于摩擦学领域。研究二维材料在电场下的摩擦特性有助于人们更好的理解电场对摩擦作用机理，满足微器件、机器人手臂和药物可控释放等众多工业应用领域对摩擦可控化和智能化的强烈需求。

大气环境中水吸附于一切表面，且往往对表界面摩擦性能产生重要影响。课题组基于导电原子力显微镜的石墨烯表面摩擦研究，发现了石墨烯和基底之间界面水分子的冰状水结构对石墨烯表面较低的摩擦力具有关键作用。提出了外电场作用下界面水分子从冰状水状态转化为液态，产生聚集，从而增大石墨烯表面摩擦力的机理。研究有助于石墨烯在机械载流界面的减摩应用。

图1 电场下的石墨烯表面摩擦：（a）石墨烯摩擦随载荷变化；（b）界面水对摩擦影响机理

该成果以“Role of Interfacial Water in the Tribological Behavior of Graphene in an Electric Field”为题发表于国际期刊Nano Letters（IF: 12.262），东华大学为唯一通讯单位，机械工程学院青年教师郎浩杰为论文的第一作者，彭倚天教授为通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00361。

课题组通过微纳加工制作半导体特性二硫化钼场效应器件，基于外加电场下的二硫化钼载流子浓度调控改变表面摩擦，建立了载流子浓度与摩擦力的定量关系，揭示了电子浓度对摩擦能量的耗散机制，实现了二硫化钼表面摩擦主动、动态和往复调控，为进一步实现表面摩擦智能化提供了可行的策略。

图2 电场下二硫化钼的摩擦调控：（a）拉曼测试示意图；（b）电子-声子耦合强度和载流子浓度随栅压的变化曲线；（c）往复调控摩擦力面扫图；（d）摩擦力随时间变化曲线

该成果以“Electronic Friction and Tuning on Atomically Thin MoS2”为题发表于Nature合作期刊npj 2D Materials and Applications（IF: 11.516）。东华大学为唯一通讯单位，机械工程学院博士生史彬为论文第一作者，彭倚天教授为通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1038/s41699-022-00316-6。

研究得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市扬帆计划和东华大学励志计划A类等相关项目资助。