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在初中物理中我们就学过，当两个相互接触的物体做相对运动时，在接触面上会产生一种阻碍相对运动的力，这个力就叫做滑动摩擦力。在生活中我们几乎无时不刻在利用着摩擦（例如走路），但同时摩擦又会造成能量的耗散以及材料的磨损，因而在需要的场景下尽可能减少摩擦一直以来都备受关注。究其根源，摩擦的产生与原子之间的相互作用和断键有关。于是数十年前就有人提出，两个原子级光滑并且以原子排列非公度接触（incommensurate contact）的固体表面之间可能实现“零摩擦”，这个概念在后来被称为“结构超滑（structural superlubricity）”。结构超滑概念提出二十多年后的2004年，Joost Frenken教授团队才在高真空条件下首次在实验上证实纳米尺度的结构超滑可以实现（Phys. Rev. Lett., 2004, 92, 126101）。随后，清华大学郑泉水教授团队以及之后的多个研究团队将结构超滑的研究拓展到了微米尺度（Phys. Rev. Lett., 2012, 108, 205503等）。然而，过去关于结构超滑的研究通常都是在同一种单晶二维材料（或其衍生物）中开展的，其中的超滑现象往往要求两个界面上二维材料的取向处在特定的角度，一旦偏离这些角度，摩擦力将急剧增大，表现出强各向异性。研究者尝试过用多晶材料解决这个问题，但多晶材料的使用带来钉扎效应（pinning effect）。
最近，清华大学郑泉水教授领导的一支跨学科团队发现在石墨和六方氮化硼单晶（hBN）构成的微米尺度异质界面中存在结构超滑，其各向异性要比均质界面中的要低几个数量级，并通过分子动力学模拟给出了合理的解释。相关论文发表在Nature Materials 上，第一作者为清华大学博士生宋一鸣，另一位通讯作者马明副教授于2016年作为“青年千人”加入清华大学，现为郑泉水研究团队具体负责超滑研究的核心成员 [1]。
图1. 单层石墨和六方氮化硼之间的莫尔波纹。图片来源：Nat. Mater. [2]
为了测量石墨和hBN单晶的微米尺度异质界面处的摩擦力，作者采用了如图2a所示的装置。在硅片基底上固定hBN，其上放置覆盖着二氧化硅的石墨片，原子力显微镜（AFM）的探针和原位配置的光学显微镜用于施加力以及原位观察样品的滑动。在实验中，通过光学显微镜可以看到被AFM探针拽离氮化硼的石墨片能够快速自发的回到氮化硼上。
图2. 测试装置和样品的光学照片。图片来源：Nat. Mater.
结果表明，在石墨/hBN异质界面上摩擦力表现出六重对称性，在旋转错位状态下的摩擦应力仅为约0.03 MPa，和过去在石墨均质体系中观察到的结果相当，并且即便在对齐状态下，应力也仅仅增加4倍，说明在对齐时体系依然处于非公度状态。
图3. 异质界面上不同角度的摩擦力。图片来源：Nat. Mater.
这种新颖的结构超滑是由于石墨和hBN之间晶格参数的不匹配（图4a）。为了更深入的理解这里的结构超滑，作者进行了全原子分子动力学模拟。计算机模拟的结果表明，在均质界面上质心在摩擦过程中的运动耗散的能量比异质界面上的高出3个数量级（图4b）。在异质界面上，由于形成了莫尔图案，质心的运动被大大减小，以至于原子之间的相对运动在较小角度下（小于10°）甚至变成了不可忽视的因素（图4c-e）。
图4. 通过分子动力学模拟给出的解释。图片来源：Nat. Mater.
随后作者测量了滑动摩擦系数，可以看到在环境条件下异质结构中的滑动摩擦力几乎不随外部负载增加而增加，对应滑动摩擦系数约为1.4 X 10-4，符合超滑的定义。当通过高温处理去除表面吸附物后，摩擦力可以进一步降低。这种异质结构的摩擦力稳定性也很好，在1000次循环后几乎没有变化。当滑动速度增加时，摩擦力的增加也相对较慢。
图5. 摩擦力和外加负载以及滑动速度的关系。图片来源：Nat. Mater.
在本文中，作者首次在实验上观察到微米尺度异质界面中的旋转稳定的结构超滑特性，而且这种超滑特性在大气环境条件下持续稳定存在，并且对外部负载表现出几乎无磨损的运动。通过全原子分子动力学模拟，作者进一步揭示了同质和异质范德瓦尔斯界面摩擦各向异性的不同机制。这一发现为更大尺度下的结构超滑提供了一个新的设计方案。
原文
Robust microscale superlubricity in graphite/hexagonal boron nitride layered heterojunctions
Nat. Mater., 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0144-z
导师介绍
郑泉水
http://www.x-mol.com/university/faculty/49785
参考资料：
1.http://news.tsinghua.edu.cn/publish/thunews/9648/2018/20180730174821056530940/20180730174821056530940_.html
2. Graphene: Plasmons in moiré superlattices. Nat. Mater., 2015, 14, 1187-1188, DOI: 10.1038/nmat4496
（本文由荷塘月供稿）