邊緣效應(yīng)是阻礙層狀固體潤滑劑超潤滑性的不利因素之一。分離邊緣原子和內(nèi)部原子的摩擦貢獻對于合理設(shè)計范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中跨尺度的超低摩擦至關(guān)重要。為了解耦這些貢獻并在原子水平上提供潛在的微觀起源，作者考慮了兩種對比模型，即基于廣泛的從頭計算，在石墨烯單層上滑動的具有二聚和原始邊緣的石墨烯納米
薄片。一方面，作者發(fā)現(xiàn)二聚化的邊緣釘扎效應(yīng)對于未對準的接觸非常明顯。這種沿邊緣提供局部補償?shù)那闆r讓人想起奧布里的固定相位。每個二聚邊緣碳原子對滑動勢能波紋的貢獻甚至比同等接觸下雙層石墨烯中的原子的貢獻還要多1.5倍。因此，滑動過程中的動態(tài)和隨機邊緣二聚將顯著影響摩擦學(xué)性能，并且可能是解釋測量摩擦參數(shù)中明顯差異的重要來源[Qu et al., Phys. Rev. Lett. 2020, 125, 126102]]。另一方面，作者發(fā)現(xiàn)邊緣對摩擦的貢獻取決于晶格取向，并且在對齊接觸中受到抑制。這合理化了實驗結(jié)果，即摩擦力由內(nèi)部原子主導(dǎo)，而不是邊緣釘扎[[Liao et al., Nat. Mater. 2022, 21, 47–53]。為了消除不良的邊緣效應(yīng)，作者對此處構(gòu)建的摩擦學(xué)系統(tǒng)采用了應(yīng)變工程和邊緣氟化。然而，作為高摩擦釘扎位點的二聚邊緣對于這兩種方法都是穩(wěn)健的。作者希望這里確定的詳細原子信息將有助于改進超潤滑系統(tǒng)。
Fig 1. 動模擬的代表性原子模型。在納米湖頂部與(a)二聚體和(b)在石墨烯襯底上的原始邊緣的錯位接觸。在石墨烯襯底上與(c)二聚體和(d)原始邊緣進行對齊接觸。邊緣的碳原子用紅色突出顯示。黑色箭頭表示納米湖的滑動方向。
Fig 2. 滑動勢波紋
ΔE 與粘附能波動
ΔE
adh 的關(guān)系。石墨烯基底上具有（a）二聚化和（b）原始邊緣的納米片頂部未對準接觸的
ΔE
van 和
ΔE
adh 之間的相關(guān)性；納米片頂部的對齊接觸與石墨烯基底上的（c）二聚化和（d）原始邊緣。相關(guān)的原子模型如圖1所示。每種情況下滑動勢能最小值時的粘附能E
adh均設(shè)置為零。
Fig 3. 滑動模型的電荷重新分布和面外原子變形。沿著圖 S4 中的切割線繪制了未對準接觸的電子密度差 Δρ：(a) 和 (b) H 終止邊緣； (d) 和 (e) F 個終止邊緣；對齊的觸點：(g) 和 (h) H 端接邊緣； (j) 和 (k) F 個終止邊緣。原子均方根位移 (RMSD) 用于解決平面外運動。未對齊的觸點 (c) H (f) F 端接邊緣和對齊的觸點 (i) H (l) F 端接邊緣。水平橙色虛線表示二維雙層對應(yīng)物中垂直于原子平面的平均運動值。 H1/F1、C1、C2、C3、C4、C5、C6 和 H2/F2 表示納米薄片不同行的位置，如圖 S5 所示。
Fig 4. 邊緣釘扎效應(yīng)對應(yīng)變工程的穩(wěn)健性。(a)在具有二聚邊緣的納米湖上，沿x軸的單軸拉伸應(yīng)變。(b)原子模型和在10 %拉伸應(yīng)變下滑動屏障最大值的二聚邊緣局部相稱區(qū)域的(c)示意圖。薄片的邊緣和內(nèi)部的碳原子分別用紅色和藍色表示。灰色的線和球代表襯底中的碳原子。
Fig 5. 通過氟化邊緣增強邊緣釘扎效果。 (a) 未對準接觸和 (b) 對準接觸中納米片頂部滑動屏障的行為與邊緣處的 H 和 F 飽和度的對比。
相關(guān)研究工作由中國海洋大學(xué)Kunpeng Dou和北京航空航天大學(xué)Guangcun Shan課題組于2023年聯(lián)合在線發(fā)表在《Materials Today Physics》期刊上，Edge-pinning effect of graphene nanoflakes sliding atop graphene，原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2023.101266
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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