成果介绍
通过堆叠二维（2D）材料形成摩尔超结构已成为调控二维材料摩擦学性能的一种有效途径。然而，摩擦力随摩尔超晶格的变化如何演化仍有待探索。
近日，清华大学李群仰教授团队联合武汉大学欧阳稳根教授团队合作报道了扭转双层石墨烯表面摩擦力的反常角度依赖性，研究首次发现1.2°扭转双层石墨烯表面显著增强的摩擦耗散行为，揭示了摩尔超结构面内局域刚度在调控滑动动力学与能量耗散中的关键作用，为利用摩尔工程控制表面摩擦提供了理论依据。该研究构筑了转角连续变化的扭转双层石墨烯结构，通过摩擦力显微镜的表征发现，侧向力调制幅值与摩擦耗散均随扭转角度呈现非单调变化。侧向力幅值在约 3.0° 处达到峰值，验证了此前基于几何相互作用的理论预测。不同的是，摩擦耗散在更小的扭转角（约 1.2°）处达到极值。借助原子模拟，研究揭示了这种独特的非单调摩擦行为源于面内局域刚度与原子级重构之间的竞争，二者共同影响摩尔超晶格尺度非稳态滑移的发生。
图文导读
图 1 不同扭转角下扭转双层石墨烯（TBG）的堆垛结构与摩擦测试。（a）原子力显微镜（AFM）测试装置示意图（上图）；扭转角减小时原子结构演变示意图（下图）。（b）采用导电原子力显微镜（c‑AFM）与侧向力显微镜（LFM）测得的不同扭转角 TBG 样品的电流/电导率图（左列）及侧向力图（右列）。（c）沿图（b）中白色虚线提取的对应侧向力曲线。黑色虚线为示意标注，用于突出侧向力变化趋势。所有摩擦测试均在51.5 nN 法向载荷下完成。
图 2 扭转双层石墨烯（TBG）中与扭转角相关的摩擦特性。（a）不同法向载荷下，侧向力幅值随扭转角的变化；（b）不同法向载荷下，平均摩擦力随扭转角的变化。（c）在 51.5 nN 载荷下，对图（b）中标注的不同扭转角 TBG 测得的典型正向（灰色曲线）与回扫（黑色曲线）侧向力曲线。能量耗散由正向与回扫曲线围成的面积（浅红色阴影区域）表示。
图 3 模拟侧向力及针尖与莫尔结构的相对位置。（a）分子动力学（MD）模拟装置示意图。（b、d、f）分别为扭转角 5.8°、1.2° 和 0.5° 的扭转双层石墨烯（TBG）的模拟侧向力曲线。（c、e）模拟中 5.8°（c）和 1.2°（e）TBG 的相对位置（上图）、针尖原子的侧向力分布（中图）以及石墨烯形貌（下图）。图（c）和（e）里，中图中的箭头标示了受到阻力或推力的针尖原子；图（e）里，下图中的两个箭头标示了额外堆积的位置。TBG 的形变在垂直方向放大了 10 倍。
图 4 针尖压力诱导的面内位移与堆垛态转变。（a、c）分别为 5.8°（a）和 1.2°（c）TBG 中，针尖正下方顶层石墨烯沿 x 方向的位移分布。（b、d）分别对应（a）、（c）中标注时刻，针尖在 5.8°（b）和 1.2°（d）TBG 表面滑动时的结构快照。插图展示了原始 AA 堆垛区域堆垛态的实时演化。蓝色箭头表示原子位移的方向与大小。（e、f）分别为 5.8°（e）和 1.2°（f）TBG 中不同约束效应的示意图。
结论与展望
综上，本文系统研究了扭转双层石墨烯（TBG）的表面摩擦特性，重点关注了宽扭转角范围内形成的摩尔超结构的影响。研究发现，侧向力调制幅值与能量耗散均随扭转角增大呈现非单调变化。具体而言，侧向力调制幅值在接触尺寸与摩尔周期匹配时，于约 3.0° 处达到峰值，该实验结果直接验证了此前基于分子动力学模拟的理论预测。与之形成鲜明对比的是，摩擦能量耗散在约 1.2° 的扭转角处达到极值，表明存在一种全新的物理机制。借助分子动力学模拟，研究揭示莫尔尺度能量耗散与顶层石墨烯的非稳态滑移行为密切相关，该过程主要由莫尔体系的本征面内刚度与重构状态共同决定。结果表明，较大的调制幅值（由几何匹配决定）并不必然对应高摩擦（高摩擦需要非稳态滑移）。本文提出的非单调耗散机制，也可能存在于其他扭转双层同质结或具有微小晶格失配的异质结中。摩擦对层间扭转角的显著敏感性，为通过“摩尔工程”调控表面摩擦提供了可行途径。通过控制两层石墨烯之间的相对旋转取向，可系统调控侧向力幅值与能量耗散，这为开发具有可控/可编程摩擦特性的纳米器件提供了实际指导。
文献信息
Mengzhen Zhu, Sen Wang, Haoran Xu, Shuai Zhang, Wengen Ouyang, and Qunyang Li，“Nonmonotonic Angle-Dependent Friction on Twisted Bilayer Graphene”Nano Letters Article ASAP
文献链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c00305
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