石墨烯由單層碳原子組成，是碳基二維納米材料的典型代表。它具有許多吸引人的特性，可用于下一代電子、光學(xué)、催化、生物醫(yī)學(xué)和許多其他領(lǐng)域。最近，許多科學(xué)家將化學(xué)氣相沉積 (CVD) 作為一種成本效益高的技術(shù)來生產(chǎn)更大的石墨烯表面，以代替成熟的機(jī)械剝離方法，后者只能產(chǎn)生小的石墨烯島。

然而，CVD 石墨烯包含相當(dāng)多的表面結(jié)構(gòu)和缺陷，包括皺紋、晶界和表面污染。由于石墨烯非常薄，即使是微小的表面不規(guī)則性也會(huì)極大地影響其性能，使其表面-性能關(guān)系成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。雖然已經(jīng)針對(duì)單層 CVD 石墨烯對(duì)該主題進(jìn)行了廣泛的研究，但很少有人關(guān)注表面結(jié)構(gòu)如何影響多層 CVD 石墨烯的納米級(jí)摩擦特性。

最近，韓國釜山國立大學(xué)的一組研究人員在助理教授 Songkil Kim 的帶領(lǐng)下解決了這一知識(shí)鴻溝。“將表面特性與材料特性相關(guān)聯(lián)非常重要，”Kim 博士解釋說，“想象一下，您正在堆疊紙張，這些紙張上存在巨大的壓縮應(yīng)變。這可能會(huì)導(dǎo)致堆疊層和表面內(nèi)發(fā)生巨大的結(jié)構(gòu)變形。同樣，多層石墨烯中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化會(huì)影響其表面特性，例如摩擦力，這是我們關(guān)注的。” 他們的論文于 2022 年 1 月 24 日在線發(fā)布，并于2022 年 5 月 15 日在《應(yīng)用表面科學(xué)》第 584 卷上發(fā)表。

該團(tuán)隊(duì)首先使用原子力顯微鏡 (AFM) 的原子大小的尖端刮擦 CVD 多層石墨烯的表面，清除任何聚合物殘留物。然后，他們使用 AFM 成像、摩擦力顯微鏡和拉曼光譜來識(shí)別和研究各種表面結(jié)構(gòu)以及它們?nèi)绾斡绊懠{米級(jí)摩擦。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)只有最頂層的石墨烯相對(duì)于其余層發(fā)生了扭曲，這影響了層相關(guān)的納米級(jí)摩擦，其方式根據(jù)施加的負(fù)載而變化。

總體而言，這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)可以為 CVD 石墨烯的有趣機(jī)械應(yīng)用鋪平道路。“石墨烯和類似材料可用作固體潤滑劑，”Kim 博士評(píng)論說，“雖然像機(jī)油這樣的液體潤滑劑不適合外太空或極地地區(qū)等惡劣環(huán)境，但石墨烯出色的穩(wěn)健性和摩擦性能使其一種有吸引力的無毒替代品。”

有趣的是，開發(fā)高性能潤滑劑具有環(huán)境效益，因?yàn)闇p少摩擦對(duì)于防止機(jī)械系統(tǒng)中的能量損失至關(guān)重要。多層 CVD石墨烯的另一個(gè)潛在應(yīng)用是在微/納米器件中，其中需要精確控制摩擦。

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