近日,我院凝聚态计算与理论物理研究所在负微分摩擦系数纳米材料设计方面取得进展,相关成果以Negative Differential Friction Predicted in 2D FerroelectricIn2Se3Commensurate Contacts为题,发表在国际权威期刊《Advanced Science》上。论文第一作者为我院硕士研究生孙京格,通讯作者为我院任晓燕副教授、中国科学技术大学朱文光教授和我院李顺方教授。
摩擦是人类技术研究领域最古老的现象之一,从宏观设备,纳米机械中的纳米接触,再到生物分子马达的各种系统中摩擦无处不在。据估计,世界上约有1/3的能量耗散在摩擦和磨损方面。因此,长期以来研究人员一直在寻找和改进新的方法将摩擦不利影响降至最低水平(接近零摩擦)。在宏观尺度上,根据达芬奇-阿蒙顿的经典定律,摩擦力(f)随着法向载荷(N)的增加而增大,即遵循f = µN,其中摩擦系数µ为正值(µ>0),如上图(a)。在微观纳米尺度,摩擦易受温度、载荷、接触面积、滑动速度、层数、表面形貌等多方面因素的影响,使得微观摩擦变得更为复杂。现代摩擦学中多采用结构超润滑来减少摩擦和磨损,其本质是由于晶格失配而导致滑动过程中侧向力的有效抵消,从而实现极低的摩擦状态,然而超润滑的实现有赖于体系的非公度接触条件,一旦在滑移过程中非共度条件被破坏,超润滑现象将会随之消失。
针对上述问题,研究团队设计出具有公度接触的二维铁电材料In2Se3同质结,研究发现在该材料中出现了负的微分摩擦系数(µ<0),即滑动能垒随着法向载荷的增加而减小,如图(b),从而同时突破了超润滑依赖的非公度接触条件和经典的达芬奇-阿蒙顿定律。研究揭示其反常摩擦行为的物理根源在于层间范德华(vdW)相互作用引起的滑动能垒的增加部分可以被层内静电能的显著减少来进行有效补偿,这也是载荷状态下极化电荷重新转移的过程。研究进一步指出滑动微分摩擦系数µ可通过面外或面内的偶极-偶极排列方向及施加适当的外电场来进行调控,从而实现µ<0,µ≈0和µ>0的转变。本研究结果有望在新型纳米结构的未来设计中发挥重要作用,并在摩擦学、纳米机械、纳米传感器、纳米催化等物理和化学现象中具有潜在的应用价值。该工作得到了国家自然科学基金项目和郑州大学物理学院物理学科提升计划的支持。
全文链接:https://doi.org/10.1002/advs.202103443