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金刚石变洋葱状的碳! 美国研发超顺滑洋葱状碳材料
时间:2018-09-04

 2015年,美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的一个研究团队创造了一种可应用于工程规模的超润滑性(近零摩擦)材料。其主要由石墨烯和极小的金刚石组成。然而,该研究团队近期用二硫化钼取代了石墨烯,从而使得二硫化钼引起一个反应,把金刚石变成洋葱状的碳。

        然而,通过二硫化钼对金刚石中碳形态的改变又将会有一个怎么样的结论呢?或有着一个怎样的应用呢?研究团队表示这种材料是一种自产生的、低摩擦的干润滑剂。其最大的优点就在于这种材料比其他固体润滑剂润滑性能更持久。

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图片来源:Badri Narayanan和Subramanian Sankaranarayanan,美国阿贡国家实验室

        原子模拟化学机制导致减少摩擦。a-d:在硫(S-)诱导的金刚石纳米颗粒非晶化过程中,在不同的时间段内模拟得到的原子快照。e-h:在形成类似洋葱的碳结构的过程中,在不同时间段内模拟得到的原子快照。


        超润滑性(摩擦本质上消失的状态)是一种非常理想的性能。在我们的生活中,许多汽车以及一些其他机械组件由于摩擦而磨损,随之失去其应有的效率。为了解决这些问题,科学家们开发了一种新材料,其可以在干燥的环境中达到超润滑性。同时其也存在着许多潜在的应用,例如风力涡轮机齿轮、计算机中的磁盘驱动器和旋转密封等。值得一提的是,阿贡国家实验室在超润滑技术上拥有三项专利。而且他们目前正在申请最新突破的专利,并将很快获得许可。

        2015年,来自美国阿贡国家实验室的一个多学科团队创造了一种由石墨烯、纳米金刚石颗粒和类金刚石碳组成的材料,这种材料首次在宏观尺度上显示出超润滑性。为了将材料的设计信息展示出来,研究人员将在阿贡摩擦学实验室和纳米材料中心(CNM)进行的实验室实验,并在阿贡领导力计算机构(ALCF)和国家能源研究科学计算中心(NERSC)进行了大规模分子动力学模拟。

        该研究团队继续进一步发展了这种润滑剂技术。最近,他们用二硫化钼取代了石墨烯,以探索使用其他二维材料的影响。

        除了对这种新材料进行详细的实验研究外,研究人员还在ALCF的Mira超级计算机上进行了模拟,以阐明这种材料在纳米尺度上的行为。利用LAMMPS(大型原子/分子大规模并行模拟器)代码,该团队的大规模原子模拟揭示了机械应力诱导的摩擦化学反应的分子洞察力,从而得出这种反应导致了超润滑。

        研究人员发现二硫化钼在反应过程中会分解为钼和硫,并与纳米金刚石发生反应,将金刚石的碳结构转化为洋葱状的碳结构,即洋葱状的碳结构是由几层球状可以用作干润滑剂的石墨壳组的。

        具有洋葱状的碳结构的这种材料是一种自发生润滑剂,且可以不断重新调整自身,从而使其比传统的干润滑剂具有更长的使用寿命。而关于这项研究的研究成果发表在了《Nature Communications》。

        为了实现计算要求苛刻的分子动力学模拟,ALCF的工作人员与IBM,劳伦斯伯克利国家实验室和桑迪亚国家实验室合作,优化Mira和其他多核架构的LAMMPS性能。

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