清华大学雒建斌院士/刘宇宏教授课题组 : 揭示二维材料层间超滑特性与分子结构间的构效关系

▲第一作者：刘磊

共同通讯作者：刘宇宏、雒建斌、王鲲鹏

通讯单位：清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室

论文DOI：10.1016/j.mser.2024.100868

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近日，清华大学雒建斌院士/刘宇宏教授课题组通过实验和理论研究了四种不同结构类型的二维润滑材料的层间滑动能力，揭示了二维材料层间超滑特性与分子结构间的构效关系。首先识别了二维材料的两种夹层摩擦机理，建立了机理类型与分子结构间的内在关系，之后阐释了实验中摩擦力和粘附力的理论来源，并提出一个简易指标追踪实验中的摩擦系数规律，最后提出了结构杂化对超润滑的具体作用机制，证明了结构杂化是超滑材料结构设计的有效策略。该研究成果以“The correlation between molecular structure and superlubricity in homojunctions of 2D materials”为题，发表在材料科学领域顶级期刊《Materials Science & Engineering R: Reports》上。

背景介绍

摩擦能量耗散路径与润滑材料的本征结构参数密切相关，清华大学雒建斌院士/刘宇宏教授课题组在润滑材料结构参数与摩擦学性能间的构效关系领域开展了一系列研究工作（Nano Today, 2021, 40, 101262; Appl. Mater. Today, 2022, 26, 101382; Chem. Eng. J., 2022, 450, 138249; Mater. Today Nano, 2023, 24, 100414; Nano Res, 2024, 17, 3198–3209.）。而二维材料由于原子级平滑的层板结构以及较弱的层间相互作用，使得二维材料的层间滑动成为固体超滑研究中的重要方向。尽管目前研究的二维结构已极其丰富，但仍然缺乏对构效关系的深入理解，阻碍了科研人员对超滑结构的主动设计和调控。

本文亮点

作者团队开发了基于纳米片润湿性质的相界面定向转移纳米片技术，对四种不同结构的二维润滑材料的层间滑动能力进行了实验评价，并通过理论分析了层间摩擦和层间粘附的理论来源，提出了一个简易指标追踪实验中的摩擦系数规律，识别出两种夹层摩擦机理，并建立了机理类型与分子结构间的内在联系，阐释了杂化对超润滑的具体作用机制。

图文解析

作者精心选择了四种不同结构类型的二维材料，既包含经典的二维润滑材料，也涵盖新兴的二维润滑结构，具体结构类型为无机结构、有机结构、碳结构和无机-有机杂化结构，并且囊括了二维材料中常见的晶体形式——四方晶格和六方晶格。这些结构之间并非是孤立的，而是相互联系的，这为建立构效关系提供了可能（图1a）。为了对四种性质迥异的二维材料进行夹层摩擦测试，作者团队开发了相界面定向转移纳米片技术。该技术的核心思想在于将包含纳米片的分散液滴加于反相溶剂（不能润湿纳米片的溶剂）中，分散剂扩散进入反相溶剂，留下纳米片-空气界面，纳米片在界面自发调整取向后转移至摩擦副对偶面，使得对外暴露晶面为二维的(00Ꙇ)晶面，通过组装同质结，实现二维材料的层间摩擦测试（图1b）。

图1. (a)四种二维材料的结构相关关系。(b)相界面定向转移纳米片技术。

微观摩擦测试结果表明，四种二维材料都具有优异的层间超滑特性，通过作者开发的相界面定向转移纳米片技术，可以实现较长的超滑寿命（石墨烯>1.5h，MOFs>2h）。但四种结构之间的性能差异显著，作者通过分子摩擦理论对实验数据进行详细解读，进一步阐释厘清传统模糊观点“二维材料层间作用越弱，层间滑动越容易”（图2）。

图2. 四种二维结构的夹层摩擦特性。（a）二维粘附力图；（b）粘附力统计；（c）摩擦力和摩擦系数；（d）超滑寿命。

作者理论模拟了四种结构二维材料的夹层滑动过程，根据滑动能量曲线形状总结出两种夹层摩擦机理——势垒机理和势阱机理，并建立了分子结构与机理类型间的内在关系。作者验证了经典理论中层间摩擦的来源——最大能量波纹（E_c）和层间粘附的来源——最大层间结合能（Γ_b），并基于分子摩擦理论提出了一个基于能量数据的无量纲常数（E_c/│Γ_b│）作为简易指标来追踪实验中的摩擦系数规律（图3）。

图3. 四种二维结构夹层滑动过程的理论模拟。(a-d)滑动能量曲线和最低、最高能量构型；(e-h)最低能量构型的差分电荷密度。

作者通过搭建重构模型研究了杂化对超滑的具体作用机制，重构模型包括对有机结构COF进行杂化（COF(Cu)）和对无机-有机杂化结构进行部分去杂化（MOFs(H)），以及组装MoS₂/Graphene异质结，其可以视为另一种形式的结构杂化。研究结果表明杂化会通过降低最大能量波纹（E_c）和提高最大层间结合能（Γ_b）来促进层间超润滑，从而证明结构杂化是超滑材料结构设计的有效策略（图4）。

图4. 重构模型的夹层滑动过程。（a）COF(Cu);（b）MOFs(H);（c）MoS₂/Graphene异质结；（d-f）最低能量构型的差分电荷密度。

总结与展望

本文开发了相界面定向转移纳米片技术用于二维材料层间摩擦测试，该技术具有适用范围广泛、操作简便和可扩展的特点。本文建立了二维材料的分子结构与层间超滑特性之间的构效关系，为超滑材料的结构设计指明了方向。

文献信息：The correlation between molecular structure and superlubricity in homojunctions of 2D materials, Materials Science & Engineering R: Reports, 2024, 161, 100868.

https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100868