鉴于微观摩擦机制表明摩擦能量耗散途径与润滑材料的本征结构参数密切相关，高端装备界面科学与技术全国重点实验室刘宇宏教授课题组在润滑材料分子结构与摩擦学性能间的构效关系领域完成系列研究工作（Nano Today, 2021, 40, 101262; Appl. Mater. Today, 2022, 26, 101382; Chem. Eng. J., 2022, 450, 138249; Mater. Today Nano, 2023, 24, 100414; Nano Res, 2024, 17, 3198–3209.）。二维材料的层间超滑是固体超滑研究中的重要方向，尽管目前研究的二维结构已极其丰富，但仍然缺乏对构效关系的深入理解，严重阻碍我们通过结构设计实现超滑性能调控。

近日，刘宇宏教授课题组通过对四种不同结构类型的二维润滑材料的层间滑动能力展开研究，深入阐释上述科学问题。研究结构包括无机结构、有机结构、碳结构和无机-有机杂化结构，晶体形式包含二维材料中常见的四方晶格和六方晶格。为了实现四种性质迥异的二维材料的夹层摩擦测试，研究团队开发了基于纳米片润湿性质的相界面定向转移纳米片技术（图1）。通过分子滑移能量势垒和摩擦能耗通道理论对实验数据进行详细分析，进一步阐释厘清传统模糊观点“二维材料层间作用越弱，层间滑动越容易”（图2）。通过理论模拟四种结构二维材料的夹层滑动过程，总结出两种夹层摩擦机理——势垒机理和势阱机理，并建立了分子结构与机理类型间的内在关系。作者团队基于经典理论解释了层间摩擦的来源——最大能量波纹（Ec）和层间粘附的来源——最大层间结合能（Γb），基于分子摩擦学提出了一个代表能量数据的无量纲常数（Ec/│Γb│）作为简易指标来追踪实验中的摩擦系数规律（图3）。最后，研究团队对杂化结构的超滑机理进行了理论研究，证明了结构杂化是超滑材料结构设计的有效策略。

图1. (a)四种二维材料的结构相关关系；(b)相界面定向转移纳米片技术。

图2. 四种二维结构的夹层摩擦特性。

(a) 二维粘附力图；(b)粘附力统计；(c)摩擦力和摩擦系数；(d)超滑寿命。

图3. 四种二维结构夹层滑动过程的理论模拟。

(a-d)滑动能量曲线和最低、最高能量构型；(e-h)最低能量构型的差分电荷密度。

该成果近期发表于国际期刊《Materials Science & Engineering R: Reports》，题为“The correlation between molecular structure and superlubricity in homojunctions of 2D materials”。论文第一作者为清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室博士后刘磊，通讯作者为刘宇宏教授、雒建斌教授和上海大学王鲲鹏副教授，该工作受到国家自然科学基金（52350323和52105194）、国家资助博士后研究人员计划（GZB20230340）以及中国博士后科学基金（2023TQ0184和2023M731941）的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100868

期刊简介：《Materials Science & Engineering R: Reports》是Elsevier出版社旗下材料科学领域的高影响力顶级期刊，发表各类型的材料科学与工程研究，旨在出版展示具有高水平创新性和研究质量的文章，最新影响因子IF = 31.6。