研究速覽

■?近日，美國(guó)密蘇里科技大學(xué)吳承霖助理教授與課題組博士生李炎笑，在國(guó)際知名期刊 Carbon上發(fā)表題為“Friction between MXenes and other two-dimensional materials at the nanoscale”的研究論文。該論文首次使用覆蓋MXene的原子力顯微鏡探針在納米尺度上測(cè)量MXene與MXene， MXene與graphene，MXene與MoS2之間的摩擦力。

■?經(jīng)計(jì)算，上述組合的摩擦系數(shù)全部小于0.01， 說(shuō)明含有MXene的二維材料異質(zhì)結(jié)界面有超級(jí)潤(rùn)滑劑應(yīng)用前景。通過(guò)比較相同探針以及基底材料情況下，不同基底材料層數(shù)的摩擦力；相同探針材料以及基底材料層數(shù)情況下，不同基底材料的摩擦力，總結(jié)出納米尺度下二維材料的摩擦力同時(shí)取決于薄膜面外剛度以及界面的化學(xué)鍵。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?MXene是一大類(lèi)二維過(guò)渡金屬碳化物、碳氮化物和氮化物。在之前的研究中，我們已經(jīng)證明MXene/MXene界面的粘附能高于MXene和其他二維材料（包括石墨烯和MoSe2）之間的粘附能。MXene的摩擦性能對(duì)于固體潤(rùn)滑涂層、摩擦納米發(fā)電機(jī)和可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用至關(guān)重要，最近作為宏觀上的固體潤(rùn)滑劑引起了人們的關(guān)注。然而，與塊狀材料相比，二維材料的變形能力要高得多，并且MXene與其他 2D 材料之間更高的粘附性也會(huì)影響其摩擦性能。因此MXene與其他二維材料之間的界面摩擦力是否還會(huì)保持MXene與塊狀材料之間的低摩擦力還不確定。

■鑒于此，美國(guó)密蘇里科技大學(xué)吳承霖課題組使用原子力顯微鏡在納米尺度上實(shí)驗(yàn)研究了Ti3C2Tx和Ti3C2Tx?MXene與Ti3C2Tx?和Ti3C2Tx?MXene、石墨烯、MoSe2的摩擦性能。在實(shí)驗(yàn)中Ti3C2Tx或Ti3C2Tx?MXene覆蓋的SiO2?球形原子力顯微鏡探針在不同層數(shù)的基底材料表面橫向滑動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，在15nm 的滑動(dòng)距離上，所有研究的二維材料界面的摩擦系數(shù)均低于0.01。同時(shí)，MXene的表面官能團(tuán)（-O- 和 -OH）所形成的氫鍵導(dǎo)致 MXene/MXene界面具有更高的摩擦力。此外，與石墨烯和MoSe2相比，由于MXene具有較高的面外剛度，MXene的層數(shù)變化對(duì)摩擦力的影響較小。以上結(jié)果幫助我們進(jìn)一步理解了MXene的摩擦機(jī)制，并揭示了MXene作為納米級(jí)可調(diào)潤(rùn)滑劑的潛力。

Part2

▉? 研究要點(diǎn)1? ▉

■?作者分別使用SiO2球形原子力顯微鏡探針，覆蓋Ti2CTx或Ti3C2Tx?MXene的球形原子力顯微鏡探針，測(cè)量SiO2/石墨烯、SiO2/MoSe2、SiO2/MXene、MXene/石墨烯、MXene/MoSe2?和 MXene/MXene界面的摩擦力。

▉? 研究要點(diǎn)2? ▉

■?作者使用MXene（Ti3C2Tx或Ti3C2Tx）覆蓋之前與之后的原子力顯微鏡探針表面的線掃描結(jié)果得到MXene的在500 nm × 500 nm接觸面內(nèi)的表面高度分布。具體方法是通過(guò)用覆蓋MXene之后探針的表面形貌減去覆蓋MXene之前的探針表面形貌。由此得到Ti2CTx的平均厚度為4.05nm（三層），粗糙度為 0.52nm， Ti3C2Tx的平均厚度為 4.41nm（三層），粗糙度為 0.28nm。

▉? 研究要點(diǎn)3? ▉

■?作者研究了基底材料層數(shù)對(duì)界面摩擦系數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著基底材料層數(shù)的增加，界面摩擦系數(shù)最初迅速下降，直到基底MXene的層數(shù)達(dá)到3（石墨烯和MoSe2達(dá)到5）之后摩擦系數(shù)變化不大。這是因?yàn)殡S著二維材料層數(shù)的增加，面外剛度會(huì)增加，隨之摩擦接觸時(shí)的彈性變形會(huì)減少，從而摩擦力減少。此外，使用SiO2探針測(cè)量得到的摩擦系數(shù)從石墨烯到MoSe2再到 MXene依次降低。這是因?yàn)槭┑拿嫱鈩偠茸畹?，其次是MoSe2、Ti2C和Ti3C2?MXene。較低的面外剛度會(huì)在摩擦測(cè)量期間引入更多的平面外變形以及界面接觸面積，從而導(dǎo)致更高的摩擦力和摩擦系數(shù)。值得關(guān)注的是，MXene/單層MXene的測(cè)量摩擦系數(shù)高于MXene/單層石墨烯和MXene/單層MoSe2界面的摩擦系數(shù)。這是由于MXene表面官能團(tuán)（-O-、-OH）所形成的氫鍵增加了摩擦力。