纳米晶须与基底之间摩擦力的定量测量及其形成机理研究

Nanowhiskers are the key building blocks for the fabrication of the micro/nano-scale devices and the advanced composites with high performance. The ultrahigh surface forces (friction and adhesion) of nanowhiskers bring not only great challenges but also opportunities for the manipulation, assembly and applications of nanowhiskers, and have also played an important role on the nanofabrication technique. However, due to some technical difficulties, the surface forces on nanowhiskers are quite difficult to be determined, and their origins are not still far from clear. In the present proposal, we will focus on the following issues: to establish the novel methodologies based on the optical nanomanipulation for the quantitatively measurement of a nanowhisker and the flat substrate; to establish the quantitative dependence of the friction at nanowhisker/substrate interfaces on the surface roughness, contact area, sliding speed, environmental temperature and humidity; to clarify the contribution of the origins, such as van der Waals forces, electrostatic force and capillary forces to the friction at the nanowhisker/substrate interface. The research results of the present proposal, will not only enable us understand the physical origins of the friction between nanowhiskers and substrates, but also help us to understand the significant discrepancies between the micro-scale (< 10 nm) and macro-scale (>10 μm) friction.

纳米晶须是构筑微/纳米器件和制备高性能复合材料的关键组件。纳米晶须具有超强的表面作用力（摩擦和吸附），这不仅为纳米晶须的操作、组装和应用带来了挑战与机遇，而且在整个纳米制造技术中也扮演着举足轻重的角色。然而，由于技术上的困难，人们很难准确测量出这种纳米尺度下的表面作用力，因此也不清楚其物理形成机制。本项目中我们拟开展如下研究：建立基于光学纳米操纵技术的新方法，定量测量单根纳米晶须与基底之间的摩擦力；建立起纳米晶须与基底之间摩擦力对接触界面的粗糙度、面积和相对滑移速度、环境温度和湿度等因素的定量依赖关系；建立起摩擦力（动、静）与界面上的范德华力、静电力和毛细力等物理（化学）起源之间的定量关系。通过该项研究，不仅有望为纳米晶须与基底之间的摩擦力建立起清晰的物理图像，同时也能为摩擦力在微观（10 nm以下）和宏观（10 μm以上）尺度下的差异性提供一些定量的物理解释。

纳米晶须通常具有超强的表面作用力（摩擦和吸附）。这不仅是研制基于纳米晶须的爬墙机器人和可逆粘贴标签等众多仿生表面材料的基础，同时也是纳米晶须在复合材料、药物传输和微/纳机电系统等多个应用领域所遇到的分散问题或粘滞摩擦的本质原因。因此，对纳米晶须表面作用力的深入研究，是先进微/纳米加工制造技术进一步发展的必然要求。..本项目建立了对单根纳米晶须与接触基底之间滑动摩擦力进行定量测量的普适方法——基于光学显微镜纳米操纵技术的“推-滑”法。通过这种新方法，我们对比测量了单根ZnO纳米晶须与天然石墨和云母基底之间的摩擦剪切应力，即单位接触界面上的摩擦力，分别为0.51和5.1 MPa。由于ZnO纳米晶须与石墨和云母之间的吸附能非常接近，这一对比结果表明，介观尺度下原子级光滑接触界面上的滑动摩擦力，虽然通常被称为粘着摩擦，很可能并不只是由界面吸附来决定。为估算不同原子级光滑表面之间的摩擦力，我们提出了两个经验组合关系式：两光滑表面A和B之间的滑动摩擦力（fA-B），与光滑表面A和B分别与自身的滑动摩擦力（fA-A和fB-B）密切相关。这两个组合关系式的有效性不仅在我们的实验中得到验证，同时也得到了很多最近发表的研究结果的支持。另外，我们还通过直接的对比测试实验发现，ZnO纳米晶须与高定向热解石墨（因存在表面波纹而具有粗糙度：2.30 nm）和天然石墨（粗糙度：0.06 nm）之间的摩擦剪切应力分别为1.05和0.40 MPa。这一结果表明，纳米晶须与基底之间的滑动摩擦力对基底表面粗糙度非常敏感，而这种敏感性很可能与基底表面的波峰对滑动的纳米晶须的“阻碍”作用有关。..本项目研究所建立的测试方法，原则上适用于所有纳米晶须和接触基底，是对这类特殊接触界面的摩擦力进行定量测量的最有效的测量方法。本项研究为研究介观尺度上（比如仿生表面）的摩擦行为提供了一种重要的新测量方法，同时也为宏观尺度与微观尺度下摩擦现象之间存在的巨大差异提供了新的理论解释和实验探究思路。