當前，因摩擦和磨損導致的能源損耗約占人類能源總消耗的三分之一。實現極低摩擦可以降低能源消耗，延長機械壽命。超滑（superlubliricty）定義為兩個固體表面接觸時摩擦力接近于零（摩擦系數小于10-3）的狀態，自上世紀九十年代被發現以來一直是摩擦學的前沿研究方向。結構超滑（structural superlubliricty）是實現超滑的重要手段，簡單來說，如果不考慮兩個晶體接觸原子間的成化學鍵，結構超滑要從非公度的界面中尋找。
自然界中存在的層狀材料如石墨、二硫化鉬、六方氮化硼等由于層間弱范德華力，作為天然的固態潤滑劑已被使用超過一百年。從原理上來看，非公度的范德華界面是研究結構超滑的理想體系。如何構造這樣一個界面成為近年來超滑研究領域內廣受關注的問題。此前，已有研究在具有一定轉角的兩層石墨間測量到極低摩擦力（Phys Rev Lett 2004, 92, 126101），展示了結構超滑的經典案例，并在類似界面中發現由極低摩擦力導致的自收縮效應（Phys Rev Lett 2008, 100, 067205）。在這種同質范德華界面中，零轉角接觸下是公度，導致摩擦力最大；小轉角接觸會產生莫爾圖案，莫爾周期內的局域晶格也存在公度情況，導致摩擦力較大；大轉角接觸近似是非公度，導致摩擦力極小。
為了擺脫范德華界面中摩擦的轉角依賴性，一個可能的解決方案是構造范德華異質界面。2016年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員張廣宇團隊研究了石墨烯－六方氮化硼界面的熱穩定性，發現熱致旋轉現象（Phys Rev Lett 2016, 116, 126101），揭示出此種范德華異質界面可能存在結構超滑。2018年，中科院院士、清華大學教授鄭泉水團隊測量其界面摩擦力，驗證了結構超滑現象；發現在異質結中觀察到的摩擦各向異性比在其均質部分測到的數據大大降低（Nature Materials 2018, 17, 894）。然而，由于石墨烯和六方氮化硼的晶格失配小（～1.7%），此種范德華異質界面在小轉角下仍存在由于莫爾超晶格導致的釘扎效應。研究揭示穩定的、不同轉角下各向同性的結構超滑依然具有挑戰。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員張廣宇團隊與捷克理工大學教授Tomas Polcar團隊合作，系統研究大晶格失配范德華異質界面的超滑現象。科研人員利用環境控制下的原子力顯微鏡技術研究了外延生長的二硫化鉬－石墨（晶格失配～26.8%）以及二硫化鉬－六方氮化硼（晶格失配～24.6%）異質界面的本征摩擦特性，發現這兩種大晶格失配范德華異質界面是理想的超滑系統，不僅摩擦系數可低于10-6（和測量極限處于同一水平），且不依賴于層間的相互轉角（即各向同性）。進一步研究不同尺寸樣品揭示摩擦力的來源，發現在這種大晶格失配范德華異質界面中面內接近零摩擦，而邊界的釘扎效應是整體摩擦力的主要來源。作為對比樣品，在小晶格失配范德華異質界面（石墨烯－六方氮化硼）中，面內界面摩擦仍占主導地位。為解釋邊界釘扎效應機理，科研人員對此進行了分子動力學模擬。模擬結果表明，由于晶格周期性在邊界被破壞，邊界原子束縛減弱。因此，相較于中心原子，邊界原子更加活躍。此外，計算結果也顯示邊界原子勢能面較中心原子顯著升高。分子動力學模擬結果顯示出邊界原子和中心原子的不同狀態，更不穩定的邊界原子更容易在滑移中耗散能量。
該研究在實驗上探究了一類大晶格失配范德華異質界面中的各向同性超滑現象，為設計和應用超滑界面提供了新思路。研究表明，在界面超滑體系中要盡量避免晶格邊界、界面臺階及位錯等結構缺陷，從而降低其對結構超滑的負作用。相關研究成果發表在Nature Materials上，研究工作得到國家自然科學基金重點項目、中科院戰略性先導科技專項、松山湖材料實驗室等的支持。
圖1.范德華界面摩擦力的測量方法
圖2.大失配范德華界面中的超滑現象
圖3.摩擦力的來源探究
圖4.MoS2/graphite界面的分子動力學模擬
圖5.界面臺階對摩擦力的影響