纳米尺度摩擦性能 | Carbon | 纳米尺度下MXene与其他二维材料之间的摩擦性

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研究速览

■ 近日，美国密苏里科技大学吴承霖助理教授与课题组博士生李炎笑，在国际知名期刊 Carbon上发表题为“Friction between MXenes and other two-dimensional materials at the nanoscale”的研究论文。该论文首次使用覆盖MXene的原子力显微镜探针在纳米尺度上测量MXene与MXene， MXene与graphene，MXene与MoS2之间的摩擦力。

■ 经计算，上述组合的摩擦系数全部小于0.01， 说明含有MXene的二维材料异质结界面有超级润滑剂应用前景。通过比较相同探针以及基底材料情况下，不同基底材料层数的摩擦力；相同探针材料以及基底材料层数情况下，不同基底材料的摩擦力，总结出纳米尺度下二维材料的摩擦力同时取决于薄膜面外刚度以及界面的化学键。

Part1

▉  研究摘要  ▉

■ MXene是一大类二维过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物。在之前的研究中，我们已经证明MXene/MXene界面的粘附能高于MXene和其他二维材料（包括石墨烯和MoSe2）之间的粘附能。MXene的摩擦性能对于固体润滑涂层、摩擦纳米发电机和可穿戴电子设备的应用至关重要，最近作为宏观上的固体润滑剂引起了人们的关注。然而，与块状材料相比，二维材料的变形能力要高得多，并且MXene与其他 2D 材料之间更高的粘附性也会影响其摩擦性能。因此MXene与其他二维材料之间的界面摩擦力是否还会保持MXene与块状材料之间的低摩擦力还不确定。

■鉴于此，美国密苏里科技大学吴承霖课题组使用原子力显微镜在纳米尺度上实验研究了Ti3C2Tx和Ti3C2Tx MXene与Ti3C2Tx 和Ti3C2Tx MXene、石墨烯、MoSe2的摩擦性能。在实验中Ti3C2Tx或Ti3C2Tx MXene覆盖的SiO2 球形原子力显微镜探针在不同层数的基底材料表面横向滑动。研究发现，在15nm 的滑动距离上，所有研究的二维材料界面的摩擦系数均低于0.01。同时，MXene的表面官能团（-O- 和 -OH）所形成的氢键导致 MXene/MXene界面具有更高的摩擦力。此外，与石墨烯和MoSe2相比，由于MXene具有较高的面外刚度，MXene的层数变化对摩擦力的影响较小。以上结果帮助我们进一步理解了MXene的摩擦机制，并揭示了MXene作为纳米级可调润滑剂的潜力。

Part2

▉  研究要点1  ▉

■ 作者分别使用SiO2球形原子力显微镜探针，覆盖Ti2CTx或Ti3C2Tx MXene的球形原子力显微镜探针，测量SiO2/石墨烯、SiO2/MoSe2、SiO2/MXene、MXene/石墨烯、MXene/MoSe2 和 MXene/MXene界面的摩擦力。

▉  研究要点2  ▉

■ 作者使用MXene（Ti3C2Tx或Ti3C2Tx）覆盖之前与之后的原子力显微镜探针表面的线扫描结果得到MXene的在500 nm × 500 nm接触面内的表面高度分布。具体方法是通过用覆盖MXene之后探针的表面形貌减去覆盖MXene之前的探针表面形貌。由此得到Ti2CTx的平均厚度为4.05nm（三层），粗糙度为 0.52nm， Ti3C2Tx的平均厚度为 4.41nm（三层），粗糙度为 0.28nm。

▉  研究要点3  ▉

■ 作者研究了基底材料层数对界面摩擦系数的影响。研究发现，随着基底材料层数的增加，界面摩擦系数最初迅速下降，直到基底MXene的层数达到3（石墨烯和MoSe2达到5）之后摩擦系数变化不大。这是因为随着二维材料层数的增加，面外刚度会增加，随之摩擦接触时的弹性变形会减少，从而摩擦力减少。此外，使用SiO2探针测量得到的摩擦系数从石墨烯到MoSe2再到 MXene依次降低。这是因为石墨烯的面外刚度最低，其次是MoSe2、Ti2C和Ti3C2 MXene。较低的面外刚度会在摩擦测量期间引入更多的平面外变形以及界面接触面积，从而导致更高的摩擦力和摩擦系数。值得关注的是，MXene/单层MXene的测量摩擦系数高于MXene/单层石墨烯和MXene/单层MoSe2界面的摩擦系数。这是由于MXene表面官能团（-O-、-OH）所形成的氢键增加了摩擦力。