蘭州化物所納米尺度超低摩擦研究取得進展
軍工資源網 2023年02月28日超潤滑是指摩擦系數為0.001量級或更低的超低摩擦狀態。超潤滑界面的構筑在高端裝備、硬盤技術、太空探測、精密制造等領域頗具應用潛力，發展長效穩定的超潤滑技術是摩擦學領域的重點與難點。目前對界面的超潤滑機理認識尚不清晰，亟需從微觀尺度探討其摩擦物理機制。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研究員王道愛團隊探索了二硒化鈮（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。
科研人員采用化學氣相沉積（CVD）法，通過調控不同的工藝參數，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研究了NbSe2微觀摩擦學性能，發現單層（ML）NbSe2可實現魯棒性的超低摩擦，在空氣中放置50天之后依然可實現穩定的超低摩擦性能。更重要的是，相對厚層（FL）NbSe2，ML-NbSe2具備更低的摩擦系數和更好的耐磨性能（圖1）。研究人員從實驗與理論兩方面，闡釋了上述單層助力超低摩擦與超耐磨的本質。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，因而在摩擦過程中不會因“褶皺效應”而增大摩擦，結合其與MoS2和石墨烯相當的低界面接觸勢壘，從而具備超低的摩擦系數和超耐磨性（圖2）。
該研究對NbSe2微觀摩擦機制、超潤滑理論拓展及材料設計發展提供了理論指導。相關研究成果以Monolayer NbSe2 Favors Ultralow Friction and Super Wear Resistance為題，發表在Nano Letters上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究計劃、甘肅省重大科技專項及蘭州化物所“十四五”規劃重點培育項目等的支持。
圖1.CVD法制備NbSe2單晶以及單層超低摩擦與超耐磨
圖2.實驗與理論分析單層NbSe2實現超低摩擦與超耐磨的機制