科研進展
蘭州化物所納米尺度超低摩擦研究獲新進展
超潤滑是指摩擦系數(shù)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、硬盤技術、太空探測、精密制造等領域具有巨大應用潛力，發(fā)展長效穩(wěn)定的超潤滑技術一直是摩擦學領域的研究重點與難點。然而，目前對界面的超潤滑機理認識仍不夠清晰，亟需從微觀尺度對其摩擦物理機制進行深入探究。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室王道愛研究員團隊系統(tǒng)探究了二硒化鈮（NbSe2）的微觀摩擦學性能，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。
研究人員采用化學氣相沉積（CVD）法，通過調控不同的工藝參數(shù)，制備多種不同尺寸及形貌的高質量NbSe2單晶，基于原子力顯微鏡系統(tǒng)研究了NbSe2微觀摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)單層（ML）NbSe2可實現(xiàn)魯棒性的超低摩擦，在空氣中放置50天之后依然可實現(xiàn)穩(wěn)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(shù)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進行了闡釋。相對于機械剝離樣品，采用CVD法生長的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，在摩擦過程中不會因“褶皺效應”而增大摩擦，結合其與MoS2和石墨烯相當?shù)牡徒缑娼佑|勢壘，從而使其具備超低的摩擦系數(shù)和超耐磨性（圖2）。
圖2 實驗與理論分析單層NbSe2實現(xiàn)超低摩擦與超耐磨的機制
該研究對NbSe2微觀摩擦機制、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基金項目、中科院重點研究計劃項目、甘肅省重大科技專項及蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重點培育項目等的支持。
