随着微/纳米机电系统（MEMS/NEMS）对高效摩擦控制需求的日益增长，二维层状材料因其原子级平整表面和超低摩擦特性成为研究热点。传统摩擦调控方法主要依赖单一电场（直流DC电场或交流AC电场），但存在显著局限性：(1) DC电场通过静电粘附力补偿降低摩擦，但在达到静电补偿点后失效；(2) AC电场虽能通过共振效应调控摩擦，但较高的交流电压容易引发材料表面的疲劳损伤。因此，开发结合多物理场耦合的新机制，突破单一电场调控的瓶颈，对推动纳米器件设计与摩擦能量传输研究具有重要意义。
近日，由中国科学院兰州化学物理研究所刘钊副研究员、武汉大学欧阳稳根教授与南开大学罗锋教授领导的科研团队提出了一种基于耦合DC/AC电场的新型摩擦调控策略，成功实现了单层石墨烯界面摩擦力的精确调控。通过接触式静电力显微镜（C-EFM）同步施加DC偏压与AC激励，团队发现耦合电场可诱导垂直共振效应，将水平滑动能量分散至垂直方向，从而显著降低摩擦。实验表明，在DC电压为7 V、AC电压为4 V的条件下，摩擦力同比显著降低了73%，同时振幅线性增加。结合广义Prandtl-Tomlinson（PT）模型的理论模拟计算，研究揭示了能量从水平到垂直方向的耗散机制，验证了摩擦-振幅的负相关性。该方法不仅克服了单一电场调控摩擦的局限性，还为纳米器件的耐久性与可控性设计提供了新思路。
图1.实验装置与石墨烯表征：（a）耦合DC/AC电场的C-EFM实验示意图；（b-c）光学显微镜与原子力显微镜（AFM）观测的单层石墨烯形貌与台阶高度；（d-f）不同AC电压（0V与6 V）下石墨烯表面磨损形貌与振幅变化，表明AC单独调控的风险。
本研究通过耦合DC/AC电场，实现了单层石墨烯摩擦力的高精度调控。实验与理论模拟表明，垂直共振效应通过能量分散机制将水平滑动能耗散至垂直共振方向，显著提升界面耐久性。该方法突破了单一电场调控摩擦的固有局限，为纳米器件的摩擦控制与能量耗散提供了新策略，同时为理解复杂界面系统的能量传输机制奠定了理论基础。
论文信息：
Energy Dispersion Induced Precisely Tunable Friction of Graphitic Interface
Zhao Liu*, Hang Yang, Sen Wang, Jinxiong Wu, Wengen Ouyang*, Junyan Zhang, Feng Luo*
Advanced Science
DOI: 10.1002/advs.202500378
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