石墨烯具有二維薄層結構，是一種具有潛力的新型潤滑材料。近年來的研究表明，具有原子厚度的石墨烯在微觀接觸尺度下具有超滑特性，在宏觀接觸方式下展現出摩擦學特性，但是均依賴于理想的石墨烯表界面結構。因此，實現石墨烯摩擦表界面結構的調控對于獲得優異的摩擦學性能、推動其實際應用具有重要意義。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所磨損與表面工程課題組發現摩擦力致氧化石墨烯向理想石墨烯表界面結構原位轉化的現象，并與清華大學教授馬天寶團隊合作，結合實驗和分子動力學模擬，揭示結構演變過程的分子作用機理與規律，提出一種利用簡便的摩擦力作用，即可實現選擇區域的石墨烯表界面結構調控的新方法。
研究發現，在宏觀球-盤接觸摩擦實驗過程中，摩擦軌道上的氧化石墨烯發生向完美石墨烯結構的原位大尺寸轉變。實驗檢測到該過程伴隨氧化石墨烯羥基官能團的減少及水分子的溢出。其中，摩擦力作用而非靜壓力驅動該轉化過程；當與有活性鍵的配副摩擦時，更有益于該轉變現象的發生。研究人員進一步結合分子動力學模擬計算，揭示轉變過程的分子作用機制，即在滑移摩擦力剪切作用驅動下，激活氧化石墨烯的羥基官能團與摩擦配副上的活性鍵及相鄰石墨烯片層上羥基官能團之間的化學相互作用，誘導發生C-OH鍵的斷裂。斷裂后碳原子由sp3態向能量更穩定的sp2態轉化，實現六元環結構的自修復；斷裂后-OH基或與配副懸鍵結合，或奪取相鄰片層-OH上的氫生成水分子溢出。
整個摩擦過程中，氧化石墨烯向石墨烯結構的轉變使摩擦系數進一步降低且平穩，因此利用該摩擦結構演變現象，可主動調控、獲得摩擦界面的理想石墨烯結構，實現平穩且長效的潤滑狀態，對于推動其實際應用具有重要價值；利用結構轉化過程中伴隨的摩擦力致水分子脫溢行為，通過監測水分子，可為力致傳感提供新思路。
近期，相關研究結果在線發表在Advanced Functional Materials上，研究工作得到國家自然科學基金航天聯合項目、面上項目和中科院青年創新促進會項目的資助。
圖1.宏觀摩擦過程中，氧化石墨烯向理想石墨烯結構轉化的實驗現象
圖2.摩擦過程中滑移界面結構轉化的分子作用機理
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