新研究揭示了多层石墨烯中摩擦的性质

石墨烯由单层碳原子组成，是碳基二维纳米材料的典型代表。它具有许多吸引人的特性，可用于下一代电子、光学、催化、生物医学和许多其他领域。最近，许多科学家将化学气相沉积 (CVD) 作为一种成本效益高的技术来生产更大的石墨烯表面，以代替成熟的机械剥离方法，后者只能产生小的石墨烯岛。

然而，CVD 石墨烯包含相当多的表面结构和缺陷，包括皱纹、晶界和表面污染。由于石墨烯非常薄，即使是微小的表面不规则性也会极大地影响其性能，使其表面-性能关系成为一个重要的研究领域。虽然已经针对单层 CVD 石墨烯对该主题进行了广泛的研究，但很少有人关注表面结构如何影响多层 CVD 石墨烯的纳米级摩擦特性。

最近，韩国釜山国立大学的一组研究人员在助理教授 Songkil Kim 的带领下解决了这一知识鸿沟。“将表面特性与材料特性相关联非常重要，”Kim 博士解释说，“想象一下，您正在堆叠纸张，这些纸张上存在巨大的压缩应变。这可能会导致堆叠层和表面内发生巨大的结构变形。同样，多层石墨烯中发生的结构变化会影响其表面特性，例如摩擦力，这是我们关注的。” 他们的论文于 2022 年 1 月 24 日在线发布，并于2022 年 5 月 15 日在《应用表面科学》第 584 卷上发表。

该团队首先使用原子力显微镜 (AFM) 的原子大小的尖端刮擦 CVD 多层石墨烯的表面，清除任何聚合物残留物。然后，他们使用 AFM 成像、摩擦力显微镜和拉曼光谱来识别和研究各种表面结构以及它们如何影响纳米级摩擦。有趣的是，他们发现只有最顶层的石墨烯相对于其余层发生了扭曲，这影响了层相关的纳米级摩擦，其方式根据施加的负载而变化。

总体而言，这项研究的发现可以为 CVD 石墨烯的有趣机械应用铺平道路。“石墨烯和类似材料可用作固体润滑剂，”Kim 博士评论说，“虽然像机油这样的液体润滑剂不适合外太空或极地地区等恶劣环境，但石墨烯出色的稳健性和摩擦性能使其一种有吸引力的无毒替代品。”

有趣的是，开发高性能润滑剂具有环境效益，因为减少摩擦对于防止机械系统中的能量损失至关重要。多层 CVD石墨烯的另一个潜在应用是在微/纳米器件中，其中需要精确控制摩擦。