石墨烯具有二維薄層結(jié)構(gòu)，是一種具有潛力的新型潤滑材料。近年來的研究表明，具有原子厚度的石墨烯在微觀接觸尺度下具有超滑特性，在宏觀接觸方式下展現(xiàn)出摩擦學(xué)特性，但是均依賴于理想的石墨烯表界面結(jié)構(gòu)。因此，實現(xiàn)石墨烯摩擦表界面結(jié)構(gòu)的調(diào)控對于獲得優(yōu)異的摩擦學(xué)性能、推動其實際應(yīng)用具有重要意義。

　　近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所磨損與表面工程課題組發(fā)現(xiàn)摩擦力致氧化石墨烯向理想石墨烯表界面結(jié)構(gòu)原位轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，并與清華大學(xué)教授馬天寶團隊合作，結(jié)合實驗和分子動力學(xué)模擬，揭示結(jié)構(gòu)演變過程的分子作用機理與規(guī)律，提出一種利用簡便的摩擦力作用，即可實現(xiàn)選擇區(qū)域的石墨烯表界面結(jié)構(gòu)調(diào)控的新方法。

　　研究發(fā)現(xiàn)，在宏觀球-盤接觸摩擦實驗過程中，摩擦軌道上的氧化石墨烯發(fā)生向完美石墨烯結(jié)構(gòu)的原位大尺寸轉(zhuǎn)變。實驗檢測到該過程伴隨氧化石墨烯羥基官能團的減少及水分子的溢出。其中，摩擦力作用而非靜壓力驅(qū)動該轉(zhuǎn)化過程；當(dāng)與有活性鍵的配副摩擦?xí)r，更有益于該轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的發(fā)生。研究人員進一步結(jié)合分子動力學(xué)模擬計算，揭示轉(zhuǎn)變過程的分子作用機制，即在滑移摩擦力剪切作用驅(qū)動下，激活氧化石墨烯的羥基官能團與摩擦配副上的活性鍵及相鄰石墨烯片層上羥基官能團之間的化學(xué)相互作用，誘導(dǎo)發(fā)生C-OH鍵的斷裂。斷裂后碳原子由sp³態(tài)向能量更穩(wěn)定的sp²態(tài)轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)六元環(huán)結(jié)構(gòu)的自修復(fù)；斷裂后-OH基或與配副懸鍵結(jié)合，或奪取相鄰片層-OH上的氫生成水分子溢出。

　　整個摩擦過程中，氧化石墨烯向石墨烯結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變使摩擦系數(shù)進一步降低且平穩(wěn)，因此利用該摩擦結(jié)構(gòu)演變現(xiàn)象，可主動調(diào)控、獲得摩擦界面的理想石墨烯結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)平穩(wěn)且長效的潤滑狀態(tài)，對于推動其實際應(yīng)用具有重要價值；利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化過程中伴隨的摩擦力致水分子脫溢行為，通過監(jiān)測水分子，可為力致傳感提供新思路。

　　近期，相關(guān)研究結(jié)果在線發(fā)表在Advanced Functional Materials上，研究工作得到國家自然科學(xué)基金航天聯(lián)合項目、面上項目和中科院青年創(chuàng)新促進會項目的資助。

　　論文鏈接 

　　圖1.宏觀摩擦過程中，氧化石墨烯向理想石墨烯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的實驗現(xiàn)象

　　圖2.摩擦過程中滑移界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的分子作用機理