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日前，遼寧大學(xué)物理學(xué)院“院士專(zhuān)家工作站”入站專(zhuān)家王恩哥院士團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡，以原子級(jí)精度實(shí)現(xiàn)了石墨烯和六方氮化硼表面上二維冰的可控操縱和摩擦力測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了二維冰和石墨烯之間的結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑行為，并結(jié)合理論模擬揭示了其不同于傳統(tǒng)超潤(rùn)滑體系的微觀(guān)機(jī)理，澄清了低維受限條件下超快水傳輸特性的根源。該工作以“Probing structural superlubricity of two-dimensional water transport with atomic resolution”為題，于2024年6月14日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Science上，這也是王恩哥院士團(tuán)隊(duì)第二篇以遼寧大學(xué)為共同通訊作者單位在該期刊發(fā)文。

圖1. 銅表面單層石墨烯和六方氮化硼上的二維冰結(jié)構(gòu)。（A和B）石墨烯和氮化硼表面二維冰的STM圖。（C和D）石墨烯和氮化硼表面二維冰晶格的AFM圖。（E到H）石墨烯和氮化硼表面二維冰的模型圖。

圖2. 石墨烯和氮化硼晶格與二維冰晶格的公度關(guān)系。（A）二維冰與石墨烯晶格的不公度匹配，灰點(diǎn)表示石墨烯襯底中的碳原子的位置，黃色和白色六元環(huán)分別表示二維冰的水六元環(huán)和石墨烯的碳六元環(huán)。（B）二維冰與氮化硼晶格的公度匹配，白點(diǎn)和灰點(diǎn)分別表示氮化硼襯底中的硼原子和氮原子的位置，黃色六元環(huán)和白色十四邊形分別表示二維冰的水六元環(huán)和氮化硼的硼-氮十四邊形。

這項(xiàng)工作首次以原子級(jí)精度實(shí)現(xiàn)了表面上低維水的摩擦力測(cè)量，提供了低維受限水輸運(yùn)中結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑的首個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。此外，該工作揭示了低維受限水的超潤(rùn)滑對(duì)表面電荷分布的敏感性，這與僅依賴(lài)于晶格匹配度的傳統(tǒng)“剛性”超潤(rùn)滑體系有很大的差別，有助于理解原子尺度受限條件下超快水傳輸特性的根源，并推動(dòng)納米流體工程和納米摩擦學(xué)等領(lǐng)域的研究。這項(xiàng)工作將進(jìn)一步激勵(lì)新型超潤(rùn)滑和納米流體系統(tǒng)的未來(lái)探索與實(shí)際應(yīng)用。

圖3. 利用針尖操控測(cè)量二維冰與襯底間的摩擦力。（A）針尖操縱二維冰滑動(dòng)示意圖。（B）兩個(gè)表面上水-針尖相互作用勢(shì)能起伏與二維冰面積的關(guān)系。（C）實(shí)驗(yàn)所得二維冰在兩個(gè)表面上的本征歸一化靜摩擦力。（D）分子動(dòng)力學(xué)模擬所得二維冰在兩個(gè)表面上的本征歸一化靜摩擦力。

論文原文鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1544