西安交大突破石墨烯摩擦机理研究

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西安交大突破石墨烯摩擦机理研究


揭示二维材料摩擦演化之谜
——西安交通大学突破石墨烯摩擦机理研究

生活中，摩擦现象无处不在。国际顶级学术期刊《自然》杂志，于2016年11月24日发表了西安交通大学最新的研究成果，该文章揭示了主导二维材料石墨烯的摩擦行为的机理，将我国在该领域的研究推向国际前沿水平。近日，该论文的第一作者，目前正在德国开展研究工作的西安交通大学金属材料强度国家重点实验室的李苏植博士，在线接受了记者的采访，讲述了关于该研究的始末。
科学研究是个不断发现的过程。自2004年首次被制备以来，以石墨烯为代表的二维材料因其独特的电、磁、热、力学等性质，成为学术界研究的热点。而对石墨烯的摩擦测试发现，它的摩擦行为也非常奇特，与石墨有明显的不同。石墨烯的奇特摩擦行为引起人们对其内在物理机制的广泛关注和讨论。在美国麻省理工大学李巨教授的指导下，李苏植与清华大学、美国宾夕法尼亚大学等几所著名学府的相关教授展开合作研究，最终对主导石墨烯摩擦行为的内在机制给予了细致而深入的解释。
“我们的研究手段并不是传统的实验测试，而是最近二三十年新兴的一种新的研究方法——计算机模拟技术。通过构建相应的模型再现实验的重要细节，可以深入地理解实验结果并对实验现象给予一个合理的解释。”李苏植告诉记者，正是因为“工具”上的创新，主导二维材料摩擦行为机制的研究很快取得进展。
通过原子模拟，该合作研究团队首次重现了石墨烯摩擦行为的所有核心现象，并提出了二维材料可能存在的一种全新的摩擦演化及调控机制。新的研究表明：在接触摩擦过程中，石墨烯由于层数不同，确实会引起表面变形能力的差异，进而影响真实的接触面积；但这种单纯的褶皱效应对界面摩擦力的影响在部分情况下很可能十分有限。
如果把石墨看作一本书，那么石墨烯就是其中的一页，在滑动过程中，薄薄的石墨烯很容易形成褶皱，并可随时调整几何构型以适应外界接触环境的变化。正是这种特殊的调控能力，使得石墨烯在摩擦中具有奇特的演化效应以及层数依赖性。基于此机理，研究团队还提出并论证了通过对二维材料施加可控变形来实现对表面摩擦行为大范围调控的新思路。
团队成员西安交通大学教授丁向东表示，基础研究的性质决定了这项研究无法迅速产生效益，但它的影响深远。他解释说，这篇文章发现传统摩擦理论在二维材料中应用的局限性，完善并扩展了主导二维材料的摩擦机制。同时，进一步提出了一种通过二维材料几何构型来调控摩擦行为的思路，对光学、电学等其他方面的研究也有重要启示作用。在实际应用方面，作为新一代的固体润滑剂，石墨烯在诸多方面都表现出优于传统材料的特性，当前的工作有望作为理论依据，进一步指导石墨烯作为纳米固态润滑材料在实际中的应用。
《自然》杂志在同期的“新闻与评论”专栏发表了专题评述，对文章给予积极评价：“该工作不仅揭示了石墨烯奇特摩擦行为的来源，而且引发了对摩擦机理在诸多层面上的探索，同时也为人们以一种可控的方式来研究复杂体系的摩擦强化行为提供了可能性。”
本文来源：交大新闻网 日期 2017-05-19 西安交大突破石墨烯摩擦机理研究
原载于陕西日报 2017年5月19日科教新闻版头条，文章链接为http://esb.sxdaily.com.cn/sxrb/20170519/html/page_05_content_001.htm

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陕西省科学技术协会科普宣传专栏
神奇的石墨烯
发布日期：2016-11-16
　　本报记者 张梅 通讯员 李世宽 林珊珊
　　不管你用哪种搜索方式，当输入“石墨烯”，都会出来很多对这种材料的“盛大赞誉”：“新材料之王”、“将彻底改变21世纪的材料”、“黑金”、“可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命”……
　　当然，石墨烯能否担得起这些溢美之词，有待于科学研究的不断深入。这些赞美源于人类对它性能的了解：目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料……
　　石墨烯到底神奇在哪里？我们今天就跟西北大学石墨烯制备技术与产业应用课题组的王惠教授来简单了解。
　　石墨烯的发现
　　石墨烯是由碳原子紧密排列而成的蜂窝状结构的二维材料，看上去近似一张六边形网格构成的平面。石墨烯不是一种天然存在的材料，由石墨中剥离出来。当石墨被剥离至单层，仅有一个碳原子的厚度时，这层石墨片就是石墨烯。
　　2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫领导的研究小组，将石墨片黏在两片特殊的胶带之间，撕开胶带，石墨片就被减薄，一分为二。如此反复操作，薄片越来越薄，最终在显微镜下发现了石墨烯。经过研究发现，它的厚度只有0.34纳米，一片1毫米厚的石墨片由近300万层石墨烯组成。
　　石墨烯从此进入人们的视野，其独特的性能吸引着全球研究者纷纷涉足，成为材料家族中的新星。也正因为此，2010年，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，这两位最早发现并揭示石墨烯独特性质的科学家获得当年诺贝尔物理学奖。
　　独特的性能
　　石墨烯的独特性能源于它独特的物理结构。
　　石墨烯拥有的对称正六边形结构，使之非常稳定。石墨烯各个碳原子之间的连接很柔韧，即使受到外力冲击，也可以通过弯曲变形来维持稳定。
　　同时，石墨烯的二维平面结构，使它几乎集合了诸多材料的优质品质：既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，重量不足1毫克，却可以承重一千克。
　　最让科学界瞩目的，是它超强的导电性能。电子在石墨烯中运动几乎没有阻力，迁移速度极快，是世上已知的电阻率最小的材料。因为这一特点，石墨烯被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。
　　此外，石墨烯还有优异的室温导热性和透光性，几乎完全透明。它还非常致密，即使是最小的气体原子（氢原子）也无法穿透。
　　应用前景广阔
　　石墨烯一经发现，就被认为可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。它在电子、航天军工、生物、新能源、半导体等领域有着广泛的应用潜力，成为国际上的研究热点和竞争焦点。
　　未来，石墨烯将扮演怎样的产业角色？——类似碳纤维，在航空航天等某个特定领域必不可少；类似塑料的应用，广泛运用于各种产品；替代硅材料，发展出新一代电子芯片，由此从“硅时代”进入“碳时代”。
　　据中国石墨烯产业联盟预计，目前全球石墨烯年产能达到数百吨级，未来5年~10年将达到千吨级。到2020年，全球石墨烯市场规模将超1000亿元。目前，如何大规模制备高质量、大尺寸、低成本的石墨烯是产业化亟待解决的问题。西北大学石墨烯制备技术与产业应用课题组通过“化学氧化-还原法”，以天然石墨为原料，实现了高性能石墨烯批量制备，批产量达到公斤级，解决了石墨烯制备工艺复杂、能耗高、产率低等缺点，为实现石墨烯大规模和低成本制备提供了基础。
　　我们期待研究的不断突破。

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庆祝交大建校120周年暨迁校60周年
二维世界材料的神奇之旅
——诺奖得主诺沃肖洛夫交大讲学侧记
发布日期：2016-04-09　

    本报记者 吕扬 李龙飞
　　4月8日下午的交大科学馆101报告厅，师生们为人类科学史上激动人心的发明——石墨烯的神奇旅程所折服。这里正在进行由2010年诺贝尔物理学奖获得者康斯坦丁·诺沃肖洛夫作的题为《二维世界中的材料》的演讲，赢得了阵阵掌声。
　　诺沃肖洛夫在石墨烯材料方面的卓越研究成果在于，利用普通胶带成功地从石墨中剥离出石墨烯，并发现它所具有的非凡属性。在谈到“如何不可思议地用胶带分离出石墨烯”这个问题时，诺沃肖洛夫会心一笑：“在科学的道路上，倘若实践的方法有100种，其中99种都会毫无所获，至少有一种是导向成功的。这是偶然，也具有必然性。要敢想敢做，科学研究才能继续下去。”
　　诺沃肖洛夫也谈及了自己的苦恼：他本愿意做一个普通人，获得诺奖后，他穿着平常的衣服回到了实验室开始工作。但之后面对纷至沓来的荣誉和活动、采访，他很难再有足够的时间进行科学研究和沉静思考。为此，诺沃肖洛夫在到访厦门时，曾经在当地学习中国山水画，以求得内心的宁静。
　　“我们闻讯而来，就是为了看一看诺奖大师的风采，了解他的学习和研究经历，以便启发自己在科学的道路上走下去。”西安交大附中创新班的倪瓒说。当天，他将一首《枫桥夜泊》的碑文拓片送给诺沃肖洛夫，以表达自己对诺奖得主的尊敬。诺沃肖洛夫很高兴地接过了作品，并仔细倾听了倪瓒的吟诵，中国传统诗词的韵律令他十分陶醉。
　　据悉，诺沃肖洛夫所在的曼彻斯特大学历史上获得诺贝尔奖的总人数为25位，目前任教的诺贝尔奖得主有4名。这些将兴趣和持之以恒的实践完美结合起来的诺奖得主，正是人类追求真理的科学精神的杰出代表。