2024, Nano Letters——石墨结构超润滑中的秘密：纳米第三体层如何影响摩擦与导电性

亮点：

1. 超润滑状态的研究：首次通过石墨/石墨接触中实现的结构超润滑，原位揭示第三体层的演化行为。
2. 摩擦与导电性的同步测量：通过循环保持–滑动测试，将第三体层的形貌变化与其摩擦和导电性能关联分析。
3. 量子隧穿有效厚度模型：提出了量子隧穿有效厚度（deff）模型，解释了亚纳米第三体层的恒定体积特性。
4. 方向性分子传输机制：发现受限分子的方向性运动引发第三体层的弹性变形，并导致局部石墨直接接触。

摘要

揭示滑动表面间受限纳米尺度第三体的演化，对于理解固体接触的摩擦和电学特性至关重要。在本研究中，通过石墨/石墨接触实现的结构超润滑（一种无磨损和超低摩擦的状态），我们利用循环保持–滑动测试中的摩擦力和导电性测量，原位揭示了由空气引入的第三体层的形貌演化。受限分子的方向性传输导致了第三体层的明显弹性变形，进而引发了局部石墨/石墨直接接触。结合提出的量子隧穿有效厚度（deff）模型，我们观察到一个具有亚纳米厚度的恒定体积第三体层。本研究为探究纳米尺度限制环境下的物质动力学提供了一种可行的方法。

研究背景

在固体滑动接触中，接触界面常常包含“第三体”层，这一层对摩擦、磨损和电学性能产生重要影响。尽管第三体层在摩擦学研究中得到了广泛关注，但其在滑动过程中的演化，如数量和形态变化，依然难以捕捉。原因在于第三体层存在于界面内部，且尺度极小。当前的研究方法包括原子力显微镜、表面力仪和分子动力学模拟，揭示了许多第三体现象和机制，但它们各自存在局限性。比如，分子动力学模拟的时间尺度远小于实验，导致模拟结果与实际情况的相关性受到质疑；在实验中，第三体层被埋藏在界面中，同时磨损碎屑的生成使得研究更加复杂。而传统显微镜方法在实际操作条件下也无法直接观察第三体层的动态行为。与此不同，结构超滑系统由于其几乎零摩擦和无磨损的特性，避免了磨损碎屑的干扰，从而使得界面在滑动过程中保持稳定。这为原位研究提供了独特的实验条件。

研究思路

该研究旨在揭示纳米尺度第三体层在滑动过程中如何演化，选取结构超滑石墨/石墨接触作为实验平台，通过在界面引入水分和碳氢化合物等空气吸附物来模拟第三体层的形成。研究使用导电原子力显微镜进行原位测量，实时记录摩擦力和电流的变化。通过控制界面暴露于空气的时间，并设计循环保持-滑动测试，分析界面状态的可逆演变。此外，提出了量子隧穿有效厚度模型，用于定量分析第三体层形变对界面导电性能的影响。最终，通过与实验和模拟结果的对比，深入理解了第三体层在超滑系统中的动态行为，为界面摩擦与电导耦合的研究提供了新的理论框架和实验依据。

主要贡献

Figure 1展示了结构超滑微米尺度石墨/石墨接触界面的构建和测量过程。在(a)中，展示了接触界面的构建示意图，包括一个作为基底的石墨片和一个上层石墨片，界面暴露在空气中600分钟以引入富含空气吸附物的第三体层。(b)中，利用导电原子力显微镜测量摩擦力和电流。(c)和(d)分别展示了摩擦力和电流随滑动过程的变化趋势。

Figure 2展示了清洁界面和富含第三体的石墨/石墨接触界面的摩擦与电导特性对比。

本研究提出了量子隧穿有效厚度模型，以解释第三体层在滑动过程中的形态变化及其对界面导电性能的影响。Figure 3展示了对有效厚度模型有效性的验证。

总结与展望

该研究深入探讨了第三体层在结构超滑界面中的可逆形态变化及其对摩擦和电导性能的影响，并提出了量子隧穿有效厚度模型，理论上量化了第三体层形变与界面导电性能之间的关系，为纳米尺度界面的研究提供了重要的理论支持。此外，研究成果还为设计高效的结构超润滑电接触器件提供了有价值的参考，推动了其在微机电系统（MEMS）和纳米电子学领域中的应用。

The Evolution of Nanoscale Third Body Layer Revealed by Graphite Structural Superlubric Contact

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c05174

课题组介绍

清华大学机械系马明课题组。该课题组研究方向为固体界面超滑，纳米尺度固液界面能量耗散与物质输运，磨损的微观机制。