Correlation between load and stacking structure of superlubricity at Van der Waals layered structure / nanocarbon molecules interface

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分子力学シミュレーションを用いて、グラフェン/C60/グラフェン積層界面の滑り過程の荷重依存性を、最大静摩擦力（最大水平力）と動摩擦力（平均水平力）の変化として調べた。分子力学法には、我々のグループで開発したTersoffポテンシャル-拡張LJポテンシャル複合モデルにもとづくエネルギー極小化の手法を用いた。封入C60分子の配向を変えて圧縮および滑り摩擦の分子力学シミュレーションを行った。(1) 圧縮特性：AB積層構造（C60の六員環をグラフェンシートに向けた配向）と、OT積層構造（C60の単一の炭素原子をグラフェンシートに向けた配向）でグラフェン/C60/グラフェン界面の安定構造を計算したところ、グラフェン-グラフェン間距離はAB積層構造では1.31 nm, OT積層構造では1.32 nmとなった。次に圧縮時の有効硬さ解析から、界面の硬さを支配する因子が分子配向によって異なることが判明した。つまり全系の硬さを決定する因子は、AB積層構造では荷重によらず常に相互作用由来の硬さ成分だが、 OT積層構造では荷重の増加に伴い、相互作用由来の硬さ成分からC60由来の硬さ成分へ移行した。(2) 摩擦特性：低荷重領域での平均水平力の荷重依存性から、各積層構造で動摩擦係数が著しく変化し、封入C60の分子配向が摩擦特性に極めて大きな影響を与えることが判明した。整合性の良い走査方向へのAB積層構造の場合、アモントン・クーロン則（摩擦が荷重に比例する）は、低荷重領域(平均荷重<Fz> < 1 nN)では成立するが、高荷重領域では破綻することが分かった。本解析から、グラフェン/C60/グラフェン界面の摩擦・超潤滑特性が封入C60の分子配向に強く依存し、界面の構造設計が 薄膜の圧縮特性や摩擦・超潤滑特性の制御に極めて重要であることが示された。