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中国科学院Yang, Zaixiu:MoS2在潮湿环境中的温度相关摩擦行为——从水分子吸附和DFT分析看

论论资讯 | 2024-02-28 1热度

ACS Applied Materials & Interfaces

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Temperature-Dependent Frictional Behavior of MoS<sub>2</sub> in Humid Environments: Insights from Water Molecule Adsorption and DFT Analyses

Yang Zaixiu; Zhang Xingkai; Gao Kaixiong; Zhang Bin; Sen Fatih G; Bhowmick Sukanta; Zhang Junyan; Alpas Ahmet T

Published:2024-02-27
DOI:10.1021/acsami.3c18533

研究背景

在我们的日常生活中,我们经常会遇到一些摩擦力的问题。例如,我们可能会发现,当地面潮湿时,我们的鞋子会更难以在地面上移动。这是因为潮湿的环境会影响物体之间的摩擦力。在这种情况下,我们需要了解不同环境条件下的物体之间的摩擦力,以便更好地解决这些问题。然而,目前对于这些问题的研究仍存在一些争议,这就需要更深入的研究来解决这些问题。

研究内容

一篇最新发表在ACS applied materials & interfaces上的研究论文,探究了MoS<sub>2</sub>在湿润环境中的温度依赖摩擦行为。该研究结合了滑动摩擦实验和基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理模拟,旨在阐明水分子吸附对MoS<sub>2</sub>摩擦特性的影响,解决在这种条件下识别界面键合行为对摩擦的挑战。滑动实验表明,磁控溅射MoS<sub>2</sub>在20%和40%相对湿度下,随着温度从25°C升高到100°C,摩擦系数(COF)降低。COF的变化遵循阿伦尼乌斯定律,呈现出0.165 eV的能垒,表明这些摩擦变化具有温度依赖性,并且表明了一致的摩擦机制。DFT模拟显示,H<sub>2</sub>O分子在MoS<sub>2</sub>的空位缺陷处吸附,吸附能从-0.56到-0.17 eV,与实验确定的能垒相一致。吸附作用,特别是在缺陷位点处形成稳定的H···S界面氢键,增加了层间粘附力并阻碍了层错移动。TEM分析证实,虽然在湿润条件下MoS<sub>2</sub>层与滑动方向平行,但COF仍为0.12,而在干燥空气中则约为0.02。这表明平行层排列并没有明显降低COF,强调了湿度在MoS<sub>2</sub>的COF值中的重要作用,这一结果也得到了阿伦尼乌斯分析的支持。在高温湿润环境中COF的可逆性表明了其动态性。该研究为变化湿度和温度环境下的MoS<sub>2</sub>界面提供了基础洞察力,这对于要求苛刻的摩擦应用非常重要。

研究意义

该研究的创新点在于,通过结合实验和模拟,阐明了水分子吸附对MoS<sub>2</sub>摩擦特性的影响。该研究的结果为我们深入了解物体之间的摩擦力提供了新的思路。此外,该研究还为开发更好的摩擦材料提供了重要的参考依据。

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