日前，辽宁大学物理学院“院士专家工作站”入站专家王恩哥院士团队利用自主研发的国产qPlus型扫描探针显微镜，以原子级精度实现了石墨烯和六方氮化硼表面上二维冰的可控操纵和摩擦力测量，发现了二维冰和石墨烯之间的结构超润滑行为，并结合理论模拟揭示了其不同于传统超润滑体系的微观机理，澄清了低维受限条件下超快水传输特性的根源。该工作以“Probing structural superlubricity of two-dimensional water transport with atomic resolution”为题，于2024年6月14日发表在国际顶级期刊Science上，这也是王恩哥院士团队第二篇以辽宁大学为共同通讯作者单位在该期刊发文。
图1. 铜表面单层石墨烯和六方氮化硼上的二维冰结构。（A和B）石墨烯和氮化硼表面二维冰的STM图。（C和D）石墨烯和氮化硼表面二维冰晶格的AFM图。（E到H）石墨烯和氮化硼表面二维冰的模型图。
图2. 石墨烯和氮化硼晶格与二维冰晶格的公度关系。（A）二维冰与石墨烯晶格的不公度匹配，灰点表示石墨烯衬底中的碳原子的位置，黄色和白色六元环分别表示二维冰的水六元环和石墨烯的碳六元环。（B）二维冰与氮化硼晶格的公度匹配，白点和灰点分别表示氮化硼衬底中的硼原子和氮原子的位置，黄色六元环和白色十四边形分别表示二维冰的水六元环和氮化硼的硼-氮十四边形。
这项工作首次以原子级精度实现了表面上低维水的摩擦力测量，提供了低维受限水输运中结构超润滑的首个实验证据。此外，该工作揭示了低维受限水的超润滑对表面电荷分布的敏感性，这与仅依赖于晶格匹配度的传统“刚性”超润滑体系有很大的差别，有助于理解原子尺度受限条件下超快水传输特性的根源，并推动纳米流体工程和纳米摩擦学等领域的研究。这项工作将进一步激励新型超润滑和纳米流体系统的未来探索与实际应用。
图3. 利用针尖操控测量二维冰与衬底间的摩擦力。（A）针尖操纵二维冰滑动示意图。（B）两个表面上水-针尖相互作用势能起伏与二维冰面积的关系。（C）实验所得二维冰在两个表面上的本征归一化静摩擦力。（D）分子动力学模拟所得二维冰在两个表面上的本征归一化静摩擦力。
论文原文链接:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1544
供稿单位 | 物理学院
