科研進(jìn)展
蘭州化物所納米尺度超低摩擦研究獲新進(jìn)展
超潤滑是指摩擦系數為0.001量級或更低的超低摩擦狀態(tài)。超潤滑界面的構筑在高端裝備、硬盤(pán)技術(shù)、太空探測、精密制造等領(lǐng)域具有巨大應用潛力，發(fā)展長(cháng)效穩定的超潤滑技術(shù)一直是摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)。然而，目前對界面的超潤滑機理認識仍不夠清晰，亟需從微觀(guān)尺度對其摩擦物理機制進(jìn)行深入探究。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗室王道愛(ài)研究員團隊系統探究了二硒化鈮（NbSe2）的微觀(guān)摩擦學(xué)性能，從界面角度闡釋了單層NbSe2（~0.8 nm）的超低摩擦（~0.0085）和超耐磨（36000 cycles）機制。
研究人員采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法，通過(guò)調控不同的工藝參數，制備多種不同尺寸及形貌的高質(zhì)量NbSe2單晶，基于原子力顯微鏡系統研究了NbSe2微觀(guān)摩擦學(xué)性能，發(fā)現單層（ML）NbSe2可實(shí)現魯棒性的超低摩擦，在空氣中放置50天之后依然可實(shí)現穩定的超低摩擦性能。更重要的是，相對厚層（FL）NbSe2，ML-NbSe2具備更低的摩擦系數和更好的耐磨性能（圖1）。
圖1 CVD法制備NbSe2單晶及單層超低摩擦與超耐磨
研究人員從實(shí)驗與理論兩方面對上述單層助力超低摩擦與超耐磨的本質(zhì)進(jìn)行了闡釋。相對于機械剝離樣品，采用CVD法生長(cháng)的NbSe2與襯底之間具備更強的結合力；采用第一性原理分析其表層樣品與下層樣品或襯底之間的電荷轉移密度和黏附力，相對于多層樣品，單層樣品與襯底之間具備更高的電荷轉移密度和黏附力。相對于多層樣品的層間結合力，單層樣品與襯底之間具備更強的結合力，因此，在摩擦過(guò)程中不會(huì )因“褶皺效應”而增大摩擦，結合其與MoS2和石墨烯相當的低界面接觸勢壘，從而使其具備超低的摩擦系數和超耐磨性（圖2）。
圖2 實(shí)驗與理論分析單層NbSe2實(shí)現超低摩擦與超耐磨的機制
該研究對NbSe2微觀(guān)摩擦機制、超潤滑理論拓展及材料設計發(fā)展提供了理論指導。該研究工作以“Monolayer NbSe2 Favors Ultralow Friction and Super Wear Resistance”為題發(fā)表在Nano Letters（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c04811）上，蘭州化物所于童童助理研究員為論文第一作者，王道愛(ài)研究員為通訊作者，蘭州化物所為論文第一單位。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、中科院重點(diǎn)研究計劃項目、甘肅省重大科技專(zhuān)項及蘭州化物所“十四五”規劃重點(diǎn)培育項目等的支持。
