清華大學(xué)鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)利用石墨和類金剛石薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)超滑體系，在大氣環(huán)境和2.5 m/s的相對(duì)滑動(dòng)速度下，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)100 km距離的無(wú)磨損接觸滑動(dòng)。

研究者將微米尺度石墨片粘接在探針前端，通過(guò)納米操作手操縱石墨片與一塊盤片上的原子級(jí)光滑的類金剛石薄膜接觸。實(shí)驗(yàn)中石墨片位置固定，盤片的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使石墨片與類金剛石薄膜間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。光學(xué)顯微鏡用來(lái)實(shí)時(shí)觀測(cè)石墨片在盤片上的滑動(dòng)狀況。

研究者將盤片轉(zhuǎn)動(dòng)的速度控制在2.5 m/s，對(duì)石墨片進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)12.5 h共計(jì)108 km的滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)?；瑒?dòng)結(jié)束后，研究者對(duì)石墨片滑動(dòng)面上的中心區(qū)域和四周共5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了拉曼光譜表征，沒(méi)有探測(cè)到D峰。這意味著在108 km的超長(zhǎng)距離滑動(dòng)后，石墨的滑動(dòng)面仍然是完好無(wú)損的。研究者還對(duì)盤片上的滑道用原子力顯微鏡進(jìn)行了形貌表征，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何磨損軌道和痕跡。

研究者進(jìn)一步測(cè)量了石墨片在類金剛石薄膜上的摩擦力隨正壓力變化的關(guān)系，觀察到它們之間的摩擦應(yīng)力僅為0.02 MPa左右(正壓力為40 μN(yùn))，且微分摩擦因數(shù)(摩擦力相對(duì)于法向力的導(dǎo)數(shù))約為0.005。當(dāng)正壓力大于30 μN(yùn)(約2 MPa)后，摩擦因數(shù)為千分之一量級(jí)。

石墨片可看成是由一張張石墨烯堆疊而成的。石墨烯是范德華二維材料，其與類金剛石之間的相互作用力為范德華作用力，這可能是它們之間摩擦力極低的原因。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究者進(jìn)一步測(cè)量了石墨片與其它六種材料間的摩擦因數(shù)(硅、藍(lán)寶石、云母、氧化硅、氧化鋁、氧化鉿，它們與石墨片之間均為范德華作用)，結(jié)果顯示其均在千分之一量級(jí)。

通過(guò)計(jì)算，研究者還發(fā)現(xiàn)石墨片與這些材料間的接觸狀態(tài)是全接觸的。這種全接觸狀態(tài)避免了應(yīng)力集中、邊緣效應(yīng)等可能破壞超滑狀態(tài)的因素。

綜合各項(xiàng)證據(jù)，研究者認(rèn)為，界面的范德華相互作用、原子級(jí)光滑的表面、全接觸狀態(tài)、以及石墨烯面內(nèi)極高的強(qiáng)度，共同促成了石墨片與類金剛石薄膜間極其優(yōu)異的耐磨損性能。

(來(lái)源：科學(xué)網(wǎng) )