印度德里理工学院《ACS AMI》：石墨烯的超强润滑性和应力屏蔽使玻璃具有超强的耐刮擦性

成果简介

玻璃在受到划痕载荷时会产生损伤，影响其光学和机械完整性。这里的研究表明，用机械剥离的几层石墨烯薄片保护的二氧化硅玻璃可以显著提高抗划痕性能。本文，印度德里理工学院《 ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Superlubricity and Stress-Shielding of Graphene Enables Ultra Scratch-Resistant Glasses”论文，研究使用原子力显微镜（AFM）研究了带有剥离石墨烯的硅玻璃的摩擦和磨损特性。在对石墨烯玻璃表面进行多载荷AFM划痕测试时记录到的摩擦力与纯硅玻璃相比降低了约98%，摩擦系数达到超润滑状态。石墨烯薄片摩擦力的大幅降低使石墨烯-玻璃表面在刮擦后的磨损显著降低。利用原子模拟进行的进一步研究表明，应力屏蔽机制是由于石墨烯-玻璃表面的变形减少，从而抑制了整体损伤。总之，本研究为利用二维涂层开发抗划伤能力更强的玻璃提供了新的推动力。

图文导读

图1.石英玻璃上的机械剥离石墨烯

图2.石墨烯玻璃表面的超强润滑性和耐刮擦性

图3.石墨烯-玻璃表面接触损伤的模拟

小结

总而言之，本研究表明，通过在其表面沉积二维材料可以显着提高玻璃的耐刮擦性。具体来说，润滑的二维材料大大减少了摩擦，从而减少了磨损，从而减少了损坏。这种划痕磨损的减少归因于石墨烯玻璃表面的超润滑性，它最大限度地减少了剪切应力，并改变了从尖端诱导的塑性犁到石墨烯下的致密化型变形的损伤模式。原子模拟进一步证实了实验观察结果，这些模拟突出了石墨烯的应力屏蔽性质，保护玻璃表面/亚表面免受法线以及针对刚体接触的剪切载荷。

尽管通过机械剥离在玻璃上沉积二维材料在大规模上可能具有挑战性，但这项工作可以作为玻璃与二维材料涂层相结合的基准划痕性能的概念验证。从基本的角度来看，这些发现表明了一种提高耐刮擦性的简便途径，而无需进行复杂的加工或成分优化，这些加工或成分优化可能会转移到一大批玻璃成分中。此外，由于单层石墨烯具有优异的透光率（∼97.7%），随着层数和缺陷密度的增加而受到损害，在玻璃上沉积薄的、大面积的、高质量的石墨烯是必要的，这是一个需要未来研究努力的障碍。此外，与剥离情况下的物理粘合不同，化学功能化的石墨烯-玻璃界面的进一步发展表现出最佳的附着力和摩擦行为，可以为设计多功能玻璃表面提供机会。随着新兴技术创新需要更耐损伤的柔性触觉玻璃、实时可穿戴传感器和VR支架、薄膜建筑一体化光伏（BIPV）模块、智能汽车车窗、微流控芯片、藻类光生物反应器、药品包装（EpiPen）等，所提出的方法在提高玻璃组件的抗缺陷性、强度和整体可靠性方面具有很大的希望。

文献：https://doi.org/10.1021/acsami.3c09653