本文旨在尋求減少摩擦和磨損以促進移動機器部件節(jié)能和可靠性。在這項工作中，我們通過分子動力學模擬證明了石墨烯包覆的二氧化硅納米顆粒薄膜在金剛石(1 1 1)表面的超低摩擦。通過將2.7nm大小的二氧化硅納米顆粒包裹在C
720富勒烯籠中制備包覆納米顆粒，用于構建具有面心立方(1 1 1)結構的單層膜。結果表明，對于高達18 GPa的載荷，摩擦系數(shù)超低，μ~0.07。超低摩擦和高抗壓強度歸因于涂層結構，該結構將C
720富勒烯優(yōu)異的低摩擦系數(shù)與二氧化硅納米顆粒的納米承載能力協(xié)同起來。實現(xiàn)涂層納米顆粒薄膜的超低摩擦有可能提高機器和設備的可靠性，延長其工作壽命，同時降低其運行能耗要求。
圖1. 初始涂層二氧化硅納米顆粒結構模型模擬圖。(a)C
720富勒烯結構。(b)由無定形二氧化硅結構雕刻而成的二氧化硅納米顆粒。紅色和藍色的球體分別表示硅原子和氧原子。(c)包覆納米顆粒，其中球形二氧化硅納米顆粒被C
720富勒烯包裹，并在300K下弛豫。(d)納米顆粒膜由緊密堆積的FCC(1 1 1)單層超晶胞組成。(e)納米顆粒薄膜夾在金剛石片中間。不同的顏色表示模型中的不同原子群。紅色區(qū)域是運動控制部分，允許系統(tǒng)沿紅色箭頭方向移動，而下部金剛石片的黑色區(qū)域保持固定。
圖2. 包覆單層納米顆粒、C
720富勒烯和二氧化硅納米顆粒膜在壓縮加載和卸載時的應力-應變曲線。(a)不同系統(tǒng)的應力-應變曲線。（b）包覆納米顆粒膜的應力-應變曲線，包括不同壓力時的卸載曲線。
圖3. C
720球體參數(shù)
a和
c隨應力的變化。(a)球體形狀描述：參數(shù)
a和
c分別表示赤道半徑和從中心到兩級的距離。(b)球體參數(shù)隨外加壓應力的變化。（c） 20GPa壓應力下包覆納米顆粒膜的結構。
圖4.包覆納米顆粒膜模型的摩擦力和摩擦系數(shù)。
圖5. 在摩擦模擬過程中，不同基團之間產(chǎn)生的鍵的數(shù)量與外加應力的關系。
相關研究成果由南加州大學化學工程與材料科學系Haoxuan Li等人于2022年發(fā)表在Computational Materials Science(https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.111184)上。原文：Ultralow friction of graphene-coated silica nanoparticle film。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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