AM综述：二维纳米材料在先进微系统超滑领域的最新研究进展！

背景介绍

随着微机电与纳机电系统不断向小型化、高集成和智能化发展，界面摩擦、磨损与黏着失效正成为限制器件可靠性和能量效率的核心瓶颈。二维纳米材料因其原子级平整表面、弱范德华层间相互作用及可设计异质界面，为实现超低摩擦乃至超滑提供了理想平台。然而，已有研究大多停留在理想界面或小尺度概念验证层面，如何在缺陷、污染、湿度、氧化及循环载荷等真实工况下，维持稳定、耐久且可集成的超滑行为，仍是该领域面临的关键挑战。围绕这一问题，香港城市大学机械工程系/材料科学与工程系杨勇团队联合中国科学院兰州化学物理研究所杨军团队，在 Advanced Materials 发表综述文章“2D Nanomaterials Toward Function-Ready Superlubricity in Advanced Microsystems”，系统总结了二维纳米材料在先进微系统超滑领域的研究进展与未来方向。

文章链接：10.1002/adma.202520679

综述概况

该综述提出，面向先进微系统应用的超滑研究，需要从“理想低摩擦界面”走向“功能就绪型超滑”的新阶段。文章将二维纳米材料中的超滑机制系统归纳为两类：其一是由晶格失配和界面错配主导的结构超滑，其二是由剪切诱导界面重构与低能垒滑移态形成主导的相变超滑。在此基础上，作者进一步构建了“机理—器件—工程化—数据驱动设计”的统一框架，系统梳理了二维纳米材料如何从基础摩擦学模型，延伸至滑动驱动微系统器件、可扩展转移集成，以及人工智能辅助设计等前沿方向。该综述的重要突破在于，不再将超滑仅视为一个摩擦系数极低的物理现象，而是将其提升为一种能够服务真实器件工况、具备稳定性、耐久性与制造兼容性的功能界面设计理念。

内容精要

二维纳米材料超滑的基本起源与理论模型

文章首先从基础层面系统梳理了二维纳米材料超滑的物理起源与代表性理论模型。作者指出，二维界面的摩擦耗散来源于势垒起伏、电子云重叠、声子激发、键合形成与断裂以及环境吸附等多重因素，而超滑的实现本质上依赖于界面势能起伏的有效削弱。围绕这一核心，文章系统介绍了 Prandtl-Tomlinson 模型、Frenkel-Kontorova-Tomlinson 模型以及 Aubry 转变等经典框架，揭示了公度性/失配关系在摩擦失稳和超低摩擦形成中的基础作用。进一步结合石墨烯、h-BN、MoS2 及其异质结体系的实验与模拟研究，文章表明二维材料不仅是研究超滑界面物理的理想模型体系，也是构筑先进微系统超滑界面的关键材料基础。

图1 二维纳米材料超滑的基本起源与代表性理论模型。

二维纳米材料驱动的滑动微系统器件

在器件层面，文章进一步总结了二维纳米材料在滑动驱动微系统中的代表性应用，展示了超滑研究从基础界面物理走向器件功能实现的清晰路径。相关器件涵盖以多壁碳纳米管为自由旋转轴的纳米执行器、基于滑动范德华接触的肖特基发电器、超滑稳定的石墨/Si 发电结构，以及可通过层间滑移调控电学、铁电或光学响应的智能界面器件。作者指出，这些研究表明二维材料界面不再只是“低摩擦涂层”，而是可以直接参与机械能传递、机械-电学转换和场调控响应的功能单元。不过，大面积接触下的承载能力、电接触电阻以及反复滑动引发的电学磨损，仍是走向实用器件的关键障碍。

图2基于二维纳米材料的滑动微系统器件。

二维纳米材料的转移与集成策略

为了让超滑真正服务先进微系统，二维纳米材料必须能够实现洁净、可控、可扩展的转移与集成。围绕这一工程化核心问题，文章总结了多种代表性策略，包括浮动堆叠、毛细转移、支架辅助转移、范德华纳米膜的保形转移与层层堆叠、卷对卷紫外释放转移，以及自动化对准与输运系统等。尤其值得关注的是，基于 Ti-MXene 纳米膜的保形转移和堆叠可直接赋予钛合金高温固体润滑能力，而基于低摩擦界面的自动化输运系统则显示出二维材料在晶圆级精确转移中的独特优势。文章指出，未来二维材料超滑走向实用化，不仅取决于界面本征摩擦学性能，更取决于是否能够建立兼顾洁净度、位置精度、完整性和制造兼容性的集成路径。

图3 二维纳米材料的转移与集成方法。

AI驱动的二维纳米材料设计策略

除实验和理论之外，文章还将人工智能引入二维纳米材料超滑设计的未来框架之中。作者指出，面向功能就绪型超滑，材料筛选不应只关注最低滑移势垒，还必须同时满足热稳定性、可制造性、缺陷容忍性以及在器件中可能需要的电学或热学性能等多目标约束。基于此，文章总结了机器学习模型构建流程、生成式模型在逆向设计中的应用，以及材料基因组理念在二维材料形貌图谱构建中的价值。特别是扩散模型等新型生成框架，使得在原子种类、坐标和晶格参数空间中按目标性能反向生成稳定材料成为可能，为二维材料超滑界面的多目标优化设计提供了新工具。

图4 AI驱动的二维纳米材料设计策略。

未来展望

总体来看，这篇综述展示了二维纳米材料超滑研究的重要跃迁：研究目标正从理想模型体系中的极限低摩擦，转向真实器件工况下可持续、可调控、可集成的功能界面。未来，该领域仍需在几个方面持续突破：一是建立面向微系统工况的标准化摩擦学评价体系，提升不同研究之间的可比性与可复现性；二是加强原位表征、理论模拟与数据驱动设计的融合，建立从界面结构到摩擦行为再到器件性能的预测能力；三是打通材料制备、转移集成、环境稳定性和封装兼容性之间的链条。随着二维材料异质结构设计、纳米膜集成制造以及AI辅助材料发现的不断发展，超滑有望从低耗散滑移现象，进一步演化为支撑下一代高可靠、低能耗、智能化微系统的关键界面工程范式。