在原子尺度上，通过分子动力学模拟研究了环境湿度和官能团对石墨烯台阶滑动粘附行为的影响。在滑动过程中，环境水在界面分离和附加钝化方面起着双重作用。对于金刚石尖端，石墨烯台阶的功能化表现出不同的化学性质。羟基钝化石墨烯台阶由于具有较高的化学活性及其参与形成过滤器，可以破坏界面水层，从而显著提高界面接触面积和界面结合强度。氢原子钝化后的石墨烯台阶对界面水层的影响较小，且无明显的粘附现象。此外，石墨烯台阶的存在显著降低了石墨烯片的耐磨性。而不同的环境条件和官能团又会对其有不同程度的削弱。一般来说，石墨烯片在水环境中的耐磨性要优于真空环境。排除环境湿度的影响，氢钝化石墨烯台阶边缘的耐磨性优于羟基钝化的。这项工作为石墨烯台阶滑动粘附行为的过程和机制提供了新的和进一步的见解。
 
 
图1. (a)水环境中，金刚石尖端在少层石墨烯台阶边缘上滑动的MD模拟模型。(b)与水分子相互作用制备的金刚石尖端。石墨烯台阶边缘被(c)羟基和(d)氢原子部分钝化。图中靠近石墨烯片的水分子的下部。
 
 
图2.在水环境中被羟基钝化的石墨烯台阶滑动时 (a)粘附力的变化和(b)尖端COM的位置随滑动距离的变化。
 
 
图3.在水环境中被氢原子钝化的石墨烯台阶滑动时(a)粘附力的变化和(b)尖端COM位置随滑动距离的变化。
 
 
图4. 在水环境中被(b)羟基和(c)氢原子钝化的石墨烯台阶滑动时(a)实际接触面积和界面水分子数随滑动距离的变化。
 
 
图5. 在水环境中(a) 127.5 ps,(b) 175.5 ps(c) 188.5 ps时羟基钝化的石墨烯台阶模型滑动与界面化学反应原子图。
 
 
图6. 在(a)真空和(b)水环境中，爬上被羟基或氢原子钝化的台阶边缘前后，平均粘附力对施加的法向载荷的依赖。
 
 
图7. 在(a) 175 ps、(b) 225 ps和(c) 420 ps时载荷为19 nN的真空环境下，羟基化台阶模型中界面键形成的磨损过程的模拟快照。

       相关研究成果由重庆大学机械传动国家重点实验室Hao Fu等人于2021年发表在Tribology Letters (https://doi.org/10.1007/s11249-021-01481-3)上。原文：Effects of Environmental Moisture and Functional Groups on the Sliding Adhesive Behaviour of Graphene Steps。

转自《石墨烯研究》公众号