二维异质结摩擦之谜：边缘原子与内部原子的博弈

二维材料，如石墨烯、过渡金属二硫化物和六方氮化硼（h-BN），因其独特的机械、电学和热学性能而备受关注。在这些性能中，二维异质结——不同二维材料之间的界面——的摩擦行为已成为研究的焦点。理解边缘原子和内部原子对这些异质结摩擦的贡献，对于纳米技术和材料科学的应用至关重要。最近，发表在《物理评论快报》的一篇论文，对多层材料中的摩擦进行了分析。

结构超润滑和摩擦

结构超润滑是一种现象，当两个接触表面的原子晶格不匹配时，摩擦力极低。这种效应在范德华（vdW）层状材料中尤为显著，因为它们的层间相互作用较弱而层内键合较强，导致在不匹配的接触界面上摩擦力极低。这些系统中的摩擦行为受多种因素影响，包括原子的自由度、扭转角和法向力。

边缘原子和摩擦

二维材料中的边缘原子在决定整体摩擦性能方面起着重要作用。这些原子位于材料的边界，通常表现出不同于内部原子的化学和物理性质。由于化学活性增加和悬挂键的存在，边缘原子的摩擦力通常比内部原子高得多。

实验表明，边缘原子的摩擦力与边缘长度成线性关系，使其成为二维异质结整体摩擦行为的主导因素。此外，抑制莫尔条纹——由于两层之间的晶格不匹配而形成的周期性结构——可以显著改变摩擦性能，边缘原子有助于能量的耗散和整体摩擦力。

内部原子和摩擦

位于二维材料内部的原子以不同的方式对摩擦做出贡献。内部原子的摩擦力比边缘原子低得多，通常低几个数量级。这是由于vdW材料的强层内键合和弱层间相互作用。

内部原子的摩擦受莫尔图案的大小和结构影响。莫尔图案是在两层具有略微不同晶格常数或取向的二维材料叠加在一起时形成的。单个莫尔单元格内的摩擦力与单元格面积成比例，内部原子的整体摩擦力与莫尔单元格的总数成线性关系。这种缩放行为对于理解大面积二维异质结的摩擦性能至关重要。

边缘原子和内部原子的相互作用

二维异质结的整体摩擦行为是边缘原子和内部原子贡献相互作用的结果。边缘原子由于其较高的化学活性和悬挂键的存在，对整体摩擦行为起着重要作用。另一方面，内部原子通过莫尔图案的缩放行为做出贡献。

通过整合边缘原子、完整的莫尔单元和不完整的莫尔边缘的贡献，可以提出一种vdW异质结的摩擦定律。该定律解释了摩擦与边缘长度和莫尔单元格数量的线性关系，为二维异质结的摩擦性能提供了全面的理解。

结论

边缘原子和内部原子对二维异质结摩擦的贡献是复杂且多方面的。边缘原子由于其较高的化学活性和悬挂键的存在，在决定整体摩擦行为方面起着主导作用。内部原子则通过莫尔图案的缩放行为做出贡献。理解这些贡献对于开发利用二维异质结独特性能的先进材料和技术至关重要。

通过整合边缘原子和内部原子的贡献，研究人员可以开发出更准确的vdW异质结摩擦模型和定律，为纳米技术和材料科学的新应用铺平道路。