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研究背景

超低摩擦（Ultra-low friction）是指微观层面上摩擦系数小于0.01的状态。实现超低摩擦可以显著降低摩擦能耗、减少材料磨损、延长机械设备的使用寿命。随着微纳机电系统（M/NEMS）的小型化，对超薄厚度，特别是纳米级厚度的超低摩擦薄膜的需求日益增加。二维范德华材料由于具有原子层厚度、强的层内共价相互作用和弱的层间范德华相互作用，被视为一类新型的润滑材料。当前纳米摩擦学研究主要集中于单元素或双元素二维材料，包括石墨烯、黑磷、二硫化钼等，研究人员基于这些材料提出了许多摩擦磨损的微观机制。然而，对于三元乃至多元二维材料在摩擦学领域的研究却鲜有报道。三元二维材料相对于单元素以及双元素二维材料具有更为丰富的元素可设计性，有望为探究摩擦磨损的微观机制提供新的自由度。因此，寻找新的三元二维材料，探究其微观摩擦机制以及超低摩擦特性具有重要的研究意义。

研究思路

NiPS₃是一种新型的三元二维材料，属于MPX₃金属磷硫化物（M = Ni、Fe、Cr、Co、Mn、Zn、Cu、Co、Cd，…；X =S、Se和Te）的一员。这类材料具有高度的设计灵活性，可以加入多个II B或VI A元素，从而得到高熵二维材料。此外，由于比二元二维材料多了一种元素，它们为元素设计调控摩擦力提供了理想的基础。由于硫和磷具有较高的化学活性，在摩擦学中可能产生良好的抗磨减摩效果。此外，镍元素可能对摩擦有良好的影响。因此，NiPS₃是一种具有优异润滑性能的新型润滑材料。

主要贡献

本研究制备了高纯度、大尺寸的NiPS₃单晶材料，利用横向力显微镜系统地研究了NiPS₃的纳米摩擦学性能对层数、角度和速度的依赖性，并从接触界面的微观褶皱效应以及摩擦耗散能方面，对其微观摩擦机理进行了深入的分析。此外，通过降低摩擦环境的真空度， NiPS₃纳米片在高真空条件下可以实现超低摩擦，摩擦系数降低到0.0045。本工作中对三元二维材料纳米级摩擦的研究，为探索具有超低摩擦特性的新型二维材料以及为三元二维材料纳米摩擦学性的元素调控奠定了基础。

潜在应用

本研究中制备新型三元二维材料NiPS₃，可以在真空环境中实现稳定的超低摩擦，有望成为一种可以在太空环境中使用的润滑材料。

作者简介

邓浩宇，中国科学院兰州化学物理研究所在读博士生。研究领域包括二维材料的生长、微观摩擦学及摩擦电学。

于童童，中国科学院兰州化学物理研究所副研究员，研究领域包括二维材料的生长、微/宏摩擦学及摩擦电学。

王道爱，中国科学院兰州化学物理研究所研究员，主要从事材料摩擦磨损及表界面科学领域的研究。现任固体润滑国家重点实验室副主任，相关国家人才项目科技创新领军人才及基金委优秀青年基金获得者，获得国家自然科学二等奖1项、甘肃省自然科学一等奖1项。2018年入选科技部重点领域创新团队负责人，2019年入选中组部科技创新领军人才、山东省泰山学者特聘专家。

编辑 | 徐军

审核 | 解国新

期刊简介

Friction（《摩擦（英文）》）是清华大学主办的国内首个摩擦学领域国际学术期刊，旨在发表和出版涵盖接触、摩擦、磨损、润滑、表面粘着和界面科学跨学科的创新性研究论文及专题性综述文章，致力于为国内外摩擦学和表面界面科学领域的学者搭建一流的国际学术交流平台，促进摩擦学在中国和国际学术界之间的交流和发展。其2023年影响因子为6.3，五年影响因子为6.6，在Web of Science核心合集数据库机械工程领域180种期刊中排名第8位（前5%），稳居Q1区。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”领军期刊（全国共22项），2021年荣获“第五届中国出版政府奖期刊奖提名奖”。2022年变为月刊，年发文量120篇，在Springer平台和SciOpen平台同时完全开放获取出版。

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