在原子尺度上，通過分子動力學模擬研究了環境濕度和官能團對石墨烯臺階滑動粘附行為的影響。在滑動過程中，環境水在界面分離和附加鈍化方面起著雙重作用。對于金剛石尖端，石墨烯臺階的功能化表現出不同的化學性質。羥基鈍化石墨烯臺階由于具有較高的化學活性及其參與形成過濾器，可以破壞界面水層，從而顯著提高界面接觸面積和界面結合強度。氫原子鈍化后的石墨烯臺階對界面水層的影響較小，且無明顯的粘附現象。此外，石墨烯臺階的存在顯著降低了石墨烯片的耐磨性。而不同的環境條件和官能團又會對其有不同程度的削弱。一般來說，石墨烯片在水環境中的耐磨性要優于真空環境。排除環境濕度的影響，氫鈍化石墨烯臺階邊緣的耐磨性優于羥基鈍化的。這項工作為石墨烯臺階滑動粘附行為的過程和機制提供了新的和進一步的見解。
圖1. (a)水環境中，金剛石尖端在少層石墨烯臺階邊緣上滑動的MD模擬模型。(b)與水分子相互作用制備的金剛石尖端。石墨烯臺階邊緣被(c)羥基和(d)氫原子部分鈍化。圖中靠近石墨烯片的水分子的下部。
圖2.在水環境中被羥基鈍化的石墨烯臺階滑動時 (a)粘附力的變化和(b)尖端COM的位置隨滑動距離的變化。
圖3.在水環境中被氫原子鈍化的石墨烯臺階滑動時(a)粘附力的變化和(b)尖端COM位置隨滑動距離的變化。
圖4. 在水環境中被(b)羥基和(c)氫原子鈍化的石墨烯臺階滑動時(a)實際接觸面積和界面水分子數隨滑動距離的變化。
圖5. 在水環境中(a) 127.5 ps,(b) 175.5 ps(c) 188.5 ps時羥基鈍化的石墨烯臺階模型滑動與界面化學反應原子圖。
圖6. 在(a)真空和(b)水環境中，爬上被羥基或氫原子鈍化的臺階邊緣前后，平均粘附力對施加的法向載荷的依賴。
圖7. 在(a) 175 ps、(b) 225 ps和(c) 420 ps時載荷為19 nN的真空環境下，羥基化臺階模型中界面鍵形成的磨損過程的模擬快照。
相關研究成果由重慶大學機械傳動國家重點實驗室Hao Fu等人于2021年發表在Tribology Letters (https://doi.org/10.1007/s11249-021-01481-3)上。原文：Effects of Environmental Moisture and Functional Groups on the Sliding Adhesive Behaviour of Graphene Steps。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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