图8.不同模型中变形最大的C60分子的弹性变形作为外加应力的函数 。 (a)和(c) C60半径应变和(b)和(d) C60vol应变 ， 用于具有不同表面粗糙度值的模型 。 (a)和(b)来自初始压缩模拟的数据 。 (c)和(d)来自滑动模拟的数据 。（可以在线查看此图的彩色版本 。 ）
图9. 18GPa载荷滑动模拟后样品的最终变形结构 。 Rmax=0、2.5和5?粗糙度整个模型的图示显示在(a)、(c)和(e)面板中 ， 从(b)、(d)和(d)和(b)和(d)和(f)分别 。（可以在线查看此图的彩色版本 。 ）
从22GPa到29GPa ， 摩擦系数急剧增加到0.03并保持快速增加 ， 表明另一种摩擦状态 。 如图7(b)所示 ， 对于Rmax=5?的情况 ， 在22GPa时 ， 金刚石和顶部石墨烯层之间的新键在夹层结构中产生 ， 增加了摩擦系数 。 在24GPa时 ， C60分子和C60分子和顶部石墨烯之间会产生键 。 这些额外的键进一步增加了摩擦力和摩擦系数 。 在29GPa及以上时 ， C60分子、石墨烯层和金刚石之间的键数会出现峰值 。 此时 ， 整个夹层结构通过共价键连接 ， 并且在滑动模拟过程中 ， 结构的完整性在几个时间步长内被破坏 。
4.讨论
将我们的模拟结果与文献中的类似报告进行比较是有益的[45
。 Brenner等人和Kang等人对单个C60分子的机械行为和摩擦学特性进行了开创性工作 ， 为该领域的进一步工作提供了参考 。 Legoas等人和Sasaki等人通过详细描述平面上C60薄膜晶胞（4个分子）的动力学 ， 模拟了石墨烯/C60/石墨烯系统的摩擦学特性 。 这里介绍的工作是对这些先前调查的后续工作 。 同样 ， 我们专注于石墨烯/C60/石墨烯夹层结构的机械行为和摩擦学性能 。 我们通过研究以前未考虑的关键方面来扩展范围 ， 即i)热振动的影响（结果是在T=300K时产生的）；ii)表面粗糙度的影响；iii)相对较大的C60薄膜中独立C60分子的动力学；iv)夹层结构的限制效应 。 这些方面对于评估石墨烯/C60/石墨烯在超低摩擦和耐磨保护涂层膜中的可能应用很重要 。
基于之前有洞察力的结果报告了夹层结构涂层平面的超低摩擦 ， 我们的工作类似地表明 ， 超低摩擦状态也表现在粗糙的表面上 。 我们工作的一个有趣的结果与之前的报告形成对比的是摩擦过程中C60分子的动力学 。 Miura等人、Sasaki等人和Kang等人将观察到的系统超低摩擦与AB堆积和粘滑运动的形成联系起来 。 相比之下 ， 我们的模拟表明 ， 可以在没有这些特征的情况下实现夹层结构的超低摩擦 。 我们在薄膜层中有24个封闭堆积的C60分子的模拟模型表明在摩擦过程中没有C60滚动 。 这可以说是压缩下封闭填充薄膜中C60分子的强相互作用的影响 。 对于平面情况 ， C60分子确实在两个石墨烯限制层之间移动 。 尽管如此 ， 没有滚动 ， 分子只是在密闭空间中滑动 。 然而 ， 对于所考虑的两个粗糙表面 ， C60分子覆盖在粗糙表面上 ， 并且在摩擦模拟过程中不存在它们的集体运动 。 我们将C60分子的形状和变形模式与机械和摩擦学行为的变化直接联系起来 。 我们使用C60半径应变、C60体积应变、球体形状参数和不同层之间的键数来识别摩擦系数曲线中的拐点 ， 阐明摩擦状态的变化 。
虽然我们在此证明石墨烯/C60/石墨烯系统是用于现实表面的坚固涂层 ， 但应该注意的是 ， 在过去几年中 ， 其他低维系统的摩擦学特性和涂层性能已得到深入研究 。 特别是 ， Liu等人最近报道了在高达1GPa的高接触压力下直接测量石墨烯涂层微球的超润滑性 。 Zhang等人讨论了晶界对多晶石墨烯摩擦磨损的影响 。 Xu等人和Liu等人研究了通过涂覆石墨烯层和其他2D材料薄片来抑制MEMS/MEMS中的磨损 。
这里应该注意的是 ， 我们使用AIREBO势来处理C60分子中的碳原子、石墨烯和金刚石成分之间以及不同成分中原子之间的所有相互作用 。 虽然AIREBO电位已被证明在许多条件下具有强大的潜力 ， 但还有其他电位 ， 例如ReaxFF ， 可以说能够更好地描述不同材料的键形成和键断裂 。 虽然我们预计此处呈现的结果的两种电位的预测之间存在细微差异 ， 但在描述复杂的磨损过程及其对摩擦的贡献时 ， 应首选ReaxFF ， 此处未涉及 。 在磨损过程中 ， 粘合形成和断裂过程起着关键作用 ， 需要准确描述 。
5 。 结论
总之 ， 在这项工作中 ， 我们通过执行室温MD模拟和分析研究了石墨烯/C60/石墨烯夹层结构涂层真实粗糙表面的摩擦学特性 。 我们的结果表明 ， 无论被涂表面的粗糙度如何 ， 夹层结构都表现出超低摩擦、μ<0.01和高达8GPa的高强度的出色组合 。 模拟数据表明 ， C60分子的形状和变形模式的变化是了解夹层结构强度和摩擦的关键 。 这项研究的一个关键结果是通过将C60分子弹性变形为扁球体形状来延迟塑性变形 ， 即在C60分子之间以及C60分子与石墨烯之间产生键 ， 从而使密堆积的C60薄膜能够支持高压载荷 。 这项工作的模拟结果表明 ， 石墨烯/C60/石墨烯具有出色的强度和摩擦学性能 ， 这源于石墨烯的低摩擦系数与C60分子的纳米轴承性能的协同作用 。 这些结果突出表明 ， 这种夹层结构具有在许多应用中用于超低摩擦、高强度和耐磨涂层的潜力 。
推荐阅读
- 美科学家发现：银河系旋臂已发生“断裂”，银河系是否正在解体？
- 宇宙大爆炸理论遭质疑，宇宙或许没有起点，历史可能无限久远？
- 除了黑洞还有白洞？爱因斯坦：白洞是黑洞的反演，能穿梭时间
- “黑洞很黑，我想去点亮”
- 一百多颗恒星“消失”，是什么原因？科学家怀疑是外星文明干的
- 天文学家在银河系附近发现一个古怪的黑洞，所在之处令人难以理解
- 天文学家对银河系中心进行“考古发掘”，结果发现了一条笔直的线
- 微波技术在许多的量子平台上无处不在，并且可以精确控制和读出量子态
- 天文学家拍到一条巨大的“DNA双螺旋体”，与时空奇点相连
- 人类伟大的进步！黑洞碰撞传出神秘信号，或证明霍金最伟大的预测