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清華大學(xué)機(jī)械工程系、摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所等單位，在利用石墨烯實(shí)現(xiàn)固體超滑領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果于2月14日發(fā)表在Nature Communications。 
該研究中，研究人員設(shè)計(jì)并制備出一款用于原子力顯微鏡的鍍有石墨烯的微球探針，實(shí)現(xiàn)了石墨烯與石墨烯之間微觀摩擦力的測(cè)量，并且獲得了擁有“魯棒”特性的超低摩擦：適用于較寬范圍的載荷、環(huán)境氣氛、濕度、掃描范圍以及速度等實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)超滑狀態(tài)也可以維持較長(zhǎng)時(shí)間。此外這種石墨烯探針也可以在其他二維材料，如六方氮化硼（h-BN）晶體上獲得超滑，從而實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)二維材料之間的摩擦測(cè)量。

清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中科院化學(xué)所設(shè)計(jì)并制備出了鍍有石墨烯的原子力顯微鏡微球探針。利用無金屬催化的方法直接在氧化硅微球上生長(zhǎng)多層多晶石墨烯，再將石墨烯微球粘在無探針的懸臂梁上。此種制備方法避免了石墨烯轉(zhuǎn)移過程引入的雜質(zhì)，同時(shí)石墨烯與基底具有較好的膜基結(jié)合力。

石墨烯微球探針在對(duì)天然石墨、高定向熱解石墨（HOPG）、機(jī)械剝離石墨烯以及六方氮化硼晶體的摩擦實(shí)驗(yàn)中均獲得了超低摩擦（摩擦系數(shù)最低可達(dá)0.003）。這種超低摩擦不受探針與基底之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角的影響，同時(shí)超滑狀態(tài)能夠在較高粗糙峰接觸壓力下持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。通過高分辨AFM原子取向分析、接觸力學(xué)計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員揭示了這種持久穩(wěn)定的超低摩擦機(jī)理：石墨烯微球表面的多粗糙峰形貌以及石墨烯的多晶結(jié)構(gòu)使得石墨烯微球與樣品間形成一種穩(wěn)定的“準(zhǔn)非公度接觸”，即多粗糙峰包覆石墨烯隨機(jī)取向的接觸狀態(tài)。另外，超滑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不易受環(huán)境氣氛和濕度影響，能夠在干燥氮?dú)?、大氣和潮濕空氣（相?duì)濕度51%）下實(shí)現(xiàn)，這種現(xiàn)象或可歸因于石墨烯探針與石墨基底的雙面疏水特性。該研究為固體潤(rùn)滑和超滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的思路，此外該石墨烯探針方法同樣可推廣到其他二維材料或者異質(zhì)二維材料間的固體超滑研究。