近日，我院计算物理与量子能源材料设计团队在二维材料湿度调控摩擦方向取得重要新进展，相关成果以“Quantifying humidity effects on commensurability-dependent friction in bilayer graphene: A generalized registry index model”为题，发表在国际知名物理类期刊《Physical Review B》上。论文第一作者为我院博士研究生邵彬洋，赵兴举副研究员与李顺方教授为共同通讯作者。

近年来，基于界面公度性调控的二维范德华材料摩擦行为，已成为纳米摩擦学领域的重点研究方向，其中非公度接触体系的“结构超滑”现象，更是为实现极低摩擦界面提供了核心思路，由此而衍生的公度性量化模型RI指数模型被广泛接受与使用[Marom et al., Phys. Rev. Lett. 105, 046801 (2010)]。然而，实际应用场景中湿度是不可规避的环境因素，界面水分子会显著改变层间相互作用与滑移势垒，从而使得原先的公度性描述模型失效。而解析这种湿度依赖性界面摩擦的原子级机制，定量厘清其对公度与非公度接触界面的差异化调控规律，仍然是多领域共同面临的根本性挑战。

图一：随湿度上升初始公度与非公度界面表现出截然相反的摩擦趋势

团队采用第一性原理计算方法，系统研究了不同界面水覆盖度下双层石墨烯体系的摩擦行为，重点厘清了公度接触与非公度接触界面对湿度响应的本质差异。研究结果揭示了两类界面摩擦随水覆盖度变化的显著二分性：当水覆盖度提升至约40%时，公度双层石墨烯界面的摩擦力急剧下降至最小值，而非公度接触界面的摩擦力则呈适度上升趋势，在60%覆盖度附近达到峰值；超过上述临界湿度后，公度体系的摩擦力随水覆盖度增加逐渐上升并趋于平缓，非公度体系的摩擦力则转而下降，最终趋于稳定。

图二：针对复杂界面公度性描述的Gen-RI模型的建立

为定量描述上述差异化的摩擦行为，研究团队建立了一套描述复杂界面公度性的Gen-RI指数模型，通过明确解释三大核心因素——水插层调控的层间距相关范德华相互作用、湿度诱导的公度-非公度相变、以及受限水分子在双层石墨烯结构中引入的分子钉扎位点，成功扩展了传统RI指数模型的适用范围。这项工作不仅在原子尺度揭示了湿度作为二维材料摩擦有效调控参数的内在机制，还提供了一个具备优异预测能力的界面摩擦描述符，可为自适应、环境响应型纳米润滑系统的理论设计提供重要的理论支撑。

该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1103/1tvv-kc9n