【AM宁波材料所建所20周年专刊】实际环境中二维润滑材料的精确模拟：从经典力学到量子力学方法

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作者：，日期：2024-06-03

石墨烯、二硫化钼、六方氮化硼等二维材料在固体润滑领域具有广泛的应用以及巨大的潜力，表现出优异的低摩擦和抗磨损性能。然而，由于摩擦过程是典型的表界面现象，二维材料的润滑性能在很大程度上取决于周围环境，如温度、应力、湿度、氧气等实际因素。并且这些环境因素与材料的微观相互作用表现出实时和原位的特征，常常涉及到原子以及电子级的复杂演变过程，对实验精细检测造成巨大挑战。随着近年来超级计算机的蓬勃发展，计算模拟在揭示材料微观摩擦行为以及设计先进润滑材料中起到越来越重要的作用，未来也将是完善材料环境润滑服役基础理论，全面实现环境适应性润滑涂层可控制备的重要研究手段。

在本工作中，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究人员从基础的经典摩擦理论分析模型出发，系统总结了当前摩擦学研究中各类经典力学和量子力学计算模拟方法，并分析了众多典型研究案例，比较了不同二维材料环境敏感性的差异以及内在机理。通过对不同模拟方法进行对比，强调了量子力学方法在研究涉及复杂电子级动态演变过程的环境润滑问题时的关键作用。在回顾前人模拟模型的同时，提出了一种基于从头算分子动力学和路径积分的滑动摩擦界面模拟方法，并在经典MoS₂体系中全面验证了该方法的有效性和精确性，为准确揭示摩擦机理以及润滑材料设计提供了更多可能。且考虑到量子力学方法受限于计算速度的问题，引入了实时学习的机器学习势函数方法，以有效处理摩擦过程可能涉及的化学反应以及磨损现象。对理论研究方法的系统总结和前景展望，将有助于进一步深入揭示润滑体系摩擦微观机理，为全面理解材料环境服役行为和构效关系奠定理论基础。

相关工作发表于Advanced Materials（Adv. Mater. 2024, 36, 2312429）。宁波材料所海洋关键材料重点实验室博士后郝宇为论文第一作者，宁波材料所前沿交叉科学研究中心黄良锋研究员和海洋关键材料重点实验室王立平研究员为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（U21A20127、22272192）、国家重点研发计划（2022YFB3402803）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0470103）以及中国博士后科学基金（2023M743624）的支持。

当前摩擦学理论模拟方法发展

（海洋关键材料重点实验室）

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