Abstract
AbstractNanoscale tribology is an active and rapidly developing area of research that poses fundamental scientific questions that, if answered, may offer great technological potential in the fields of friction, wear, and lubrication. When considering nanoscale material′s junctions, surface commensurability often plays a crucial rule in dictating the tribological properties of the interface. This Review surveys recent theoretical work in this area, with the aim of providing a quantitative measure of the crystal lattice commensurability at interfaces between rigid materials and relating it to the tribological properties of the junction. By considering a variety of hexagonal layered materials, including graphene, hexagonal boron nitride, and molybdenum disulfide, we show how a simple geometrical parameter, termed the “registry index” (RI), can capture the interlayer sliding energy landscape as calculated using advanced electronic structure methods. The predictive power of this method is further demonstrated by showing how the RI is able to fully reproduce the experimentally measured frictional behavior of a graphene nanoflake sliding over a graphite surface. It is shown that generalizations towards heterogeneous junctions and non‐planar structures (e.g., nanotubes) provide a route for designing nanoscale systems with unique tribological properties, such as robust superlubricity. Future extension of this method towards nonparallel interfaces, bulk‐material junctions, molecular surface diffusion barriers, and dynamic simulations are discussed.
References
271
Referenced
70
10.1016/S1748-0132(07)70140-8
10.1103/PhysRevLett.79.705
10.1126/science.253.5026.1374
10.1126/science.240.4849.189
10.1063/1.476114
10.1038/35092523
10.1038/330461a0
10.1002/ijch.199500015
10.1038/374607a0
10.1016/j.surfrep.2005.10.004
10.1063/1.368728
10.1557/mrs2008.247
10.1016/j.mser.2007.09.001
10.1038/nature02750
10.1023/B:TRIL.0000032443.95697.1d
10.1038/42910
10.1016/S0043-1648(99)00040-X
10.1002/adma.200301640
10.1039/b417488g
10.1016/S0043-1648(03)00044-9
10.1016/S0043-1648(03)00285-0
10.1007/s11249-005-5095-2
10.1016/S0257-8972(02)00420-6
10.1016/S0169-4332(98)00874-5
10.1016/S0040-6090(97)01218-2
10.1002/(SICI)1521-4095(199908)11:11<934::AID-ADMA934>3.0.CO;2-L
10.1023/B:JMSC.0000033392.89434.87
10.1108/00368790210431727
10.1007/s11249-009-9472-0
10.1039/b820927h
10.1063/1.1889233
10.1063/1.3449334
10.1088/0953-8984/13/31/202
10.1098/rsta.2007.2164
10.1002/cphc.200900378
10.1073/pnas.182160599
10.1103/PhysRevLett.84.1172
10.1103/PhysRevB.71.245403
10.1103/PhysRevLett.92.134301
10.1103/PhysRevLett.56.930
10.1021/cr960068q
10.1126/science.1207110
10.1063/1.3503876
10.1007/s11249-010-9643-z
10.1063/1.2798628
10.1103/PhysRevB.82.035401
10.1103/PhysRevLett.101.125505
10.1098/rspa.1981.0001
10.1103/PhysRevLett.100.046102
10.1103/PhysRevB.81.155412
10.1103/PhysRevLett.102.086102
10.1038/nmat2926
10.1126/science.265.5181.2071
10.1088/0957-4484/4/3/002
10.1103/PhysRevB.52.5302
10.1103/PhysRevB.51.7849
10.1063/1.353878
10.1038/nphys1335
10.1016/0039-6028(94)00846-9
10.1088/0957-4484/20/32/325701
10.1016/j.wear.2004.07.012
10.1116/1.575428
10.1016/j.tsf.2009.06.027
10.1103/PhysRevB.55.10776
10.1126/science.266.5193.1979
10.1103/PhysRevB.78.045432
10.1103/PhysRevB.48.10583
10.1103/PhysRevLett.59.1942
10.1063/1.2456192
10.1209/epl/i2002-00439-9
10.1016/0167-5729(95)00009-7
10.1126/science.1113239
10.1103/PhysRevB.71.144203
10.1103/PhysRevB.71.085405
10.1063/1.357214
10.1103/PhysRevB.56.6987
10.1126/science.272.5265.1158
10.1007/s11249-010-9677-2
10.1103/PhysRevB.55.R13436
10.1126/science.1150288
10.1080/14786435.2010.495041
10.1088/0957-4484/20/16/165304
10.1021/jp9920794
10.1103/PhysRevB.74.195311
10.1103/PhysRevLett.92.126101
10.1103/PhysRevB.41.11837
10.1016/0039-6028(93)91022-H
10.1103/PhysRevB.53.2101
10.1103/PhysRevLett.67.2642
10.1103/PhysRevLett.78.1448
10.1021/la000161g
10.1021/la034764e
10.1103/PhysRevB.77.104105
10.1016/j.physleta.2011.06.031
10.1080/09500830701280923
10.1016/j.susc.2005.12.084
10.1103/PhysRevB.42.760
10.1103/PhysRevB.53.7539
10.1088/0957-4484/20/2/025501
10.1038/nnano.2009.199
10.1038/nnano.2006.75
10.1126/science.1125874
10.1103/PhysRevB.79.045414
10.1103/PhysRevB.80.155449
10.1103/PhysRevLett.82.4823
10.1016/j.susc.2004.12.011
10.1088/0953-8984/20/35/354004
10.1103/PhysRevB.70.165418
10.1103/PhysRevLett.101.195501
10.1038/nnano.2006.57
10.1021/nl0606527
10.1038/nature01823
10.1103/PhysRevLett.97.087203
10.1103/PhysRevLett.88.045503
10.1126/science.289.5479.602
10.1126/science.289.5479.560
10.1016/S1748-0132(07)70139-1
10.1126/science.1136836
10.1080/14786440608564819
10.1103/PhysRevLett.90.246101
10.1209/0295-5075/15/8/014
10.1209/0295-5075/31/5-6/004
10.1209/epl/i1997-00132-1
10.1016/S0009-2614(01)01469-5
10.1103/PhysRevLett.106.126101
10.1103/PhysRevB.72.245418
10.1088/0953-8984/20/35/354003
10.1002/zamm.19280080202
10.1088/0031-8949/82/02/025005
10.1088/0253-6102/54/1/22
10.1103/PhysRevLett.99.166102
10.1088/0957-4484/21/45/455704
10.1103/PhysRevB.75.155419
10.1103/PhysRevLett.85.302
10.1007/s11249-010-9618-0
10.1103/PhysRevE.81.046105
10.1021/jp970395h
10.1209/0295-5075/91/66008
10.1103/PhysRevE.79.021108
10.1126/science.284.5420.1650
10.1103/PhysRevB.64.035413
10.1016/S0039-6028(96)01285-X
10.1103/PhysRevB.57.2477
10.1038/435893a
10.1103/PhysRevB.78.155440
10.1016/S0370-1573(98)00029-5
10.1103/PhysRevB.80.235428
10.1103/PhysRevLett.97.166103
10.1103/PhysRevB.80.235435
10.1103/PhysRevE.71.065101
10.1007/s11249-006-9191-8
10.1209/epl/i2003-10139-6
10.1103/PhysRevLett.86.1295
10.1088/0953-8984/9/47/001
10.1088/0953-8984/19/30/305015
10.1103/PhysRevB.84.045404
10.1103/PhysRevE.57.7340
10.1103/PhysRevLett.87.174301
10.1088/1367-2630/9/10/398
10.1016/0039-6028(84)90720-9
10.1103/PhysRevB.82.205417
10.1088/0953-8984/18/17/004
10.1016/j.ijsolstr.2005.07.001
10.1016/0043-1648(92)90258-A
10.1116/1.585583
10.1140/epjb/e2009-00239-7
10.1007/s11249-011-9750-5
10.1016/j.carbon.2009.05.018
10.1038/nature03700
10.1021/jp1064775
10.1021/jp9069866
10.1016/j.commatsci.2005.08.006
10.1016/S0039-6028(98)00767-5
10.1103/PhysRevLett.70.1960
10.1038/nmat2798
10.1103/PhysRevB.76.155429
10.1103/PhysRevB.46.9700
10.1143/JJAP.48.060207
10.1016/j.carbon.2009.11.046
10.1088/0957-4484/22/5/055706
10.1103/PhysRevB.69.075420
10.1166/jctn.2010.1603
10.1103/PhysRevB.54.2138
10.1103/PhysRevB.52.11398
10.1103/PhysRevLett.64.3054
10.1038/nmat1836
{'key': 'e_1_2_10_197_2', 'first-page': '89', 'volume': '8', 'author': 'Frenkel Y. I.', 'year': '1938', 'journal-title': 'Zh. Eksp. Teor. Fiz.'}
/ Zh. Eksp. Teor. Fiz. by Frenkel Y. I. (1938)10.1007/978-3-540-36807-6_10
10.1002/0471428019.ch5
/ Advances in Chemical Physics by Müser M. H. (2003)10.1007/s12541-009-0039-7
{'key': 'e_1_2_10_202_2', 'first-page': '717', 'volume-title': 'Modern Tribology Handbook', 'author': 'Robbins M. O.', 'year': '2001'}
/ Modern Tribology Handbook by Robbins M. O. (2001)10.2174/157341307779940553
10.1103/PhysRevB.57.3785
10.1116/1.579079
10.1002/ijch.201000052
10.1103/PhysRevB.86.075444
10.1021/jp070918d
10.1088/0957-4484/18/6/065706
10.1103/PhysRevLett.105.046801
10.1103/PhysRevB.32.1230
10.1088/0953-8984/18/1/007
10.1063/1.2679007
10.1103/PhysRevB.68.104102
10.1016/S0022-3697(96)00134-5
10.1103/PhysRevB.36.6105
10.1016/S1386-1425(02)00442-0
10.1021/ct200880m
10.1103/PhysRevLett.77.3865
10.1103/PhysRevLett.78.1396
10.1103/PhysRevLett.102.073005
10.1021/ct900410j
10.1021/ct2005616
10.1021/jz300735v
10.1103/PhysRevLett.108.126103
10.1209/0295-5075/95/66002
10.1021/jz301758c
10.1103/PhysRevB.76.073103
10.1038/nnano.2010.172
10.1103/PhysRevB.81.155433
10.1103/PhysRevB.82.085431
10.1016/j.carbon.2011.02.022
10.1063/1.3556640
10.1021/nl200464j
10.1103/PhysRevB.84.195414
10.1038/nmat2968
10.1038/nphys2272
10.1038/nphys2114
10.1021/nl2005115
- I. Meric C. Dean A. Young J. Hone P. Kim K. L. Shepard inTech. Digest Int. Electron Devices Meet.2010 10 556–559 2010 pp. 23.22.21–23.22.24.
10.1063/1.1564060
10.1063/1.1668634
10.1063/1.1760074
10.1063/1.2204597
10.1007/BF00533485
- Gaussian 09 Revision A.02 M. J. Frisch G. W. Trucks H. B. Schlegel G. E. Scuseria M. A. Robb J. R. Cheeseman G. Scalmani V. Barone B. Mennucci G. A. Petersson H. Nakatsuji M. Caricato X. Li H. P. Hratchian A. F. Izmaylov J. Bloino G. Zheng J. L. Sonnenberg M. Hada M. Ehara K. Toyota R. Fukuda J. Hasegawa M. Ishida T. Nakajima Y. Honda O. Kitao H. Nakai T. Vreven J. A. Montgomery J. E. Peralta F. Ogliaro M. Bearpark J. J. Heyd E. Brothers K. N. Kudin V. N. Staroverov R. Kobayashi J. Normand K. Raghavachari A. Rendell J. C. Burant S. S. Iyengar J. Tomasi M. Cossi N. Rega J. M. Millam M. Klene J. E. Knox J. B. Cross V. Bakken C. Adamo J. Jaramillo R. Gomperts R. E. Stratmann O. Yazyev A. J. Austin R. Cammi C. Pomelli J. W. Ochterski R. L. Martin K. Morokuma V. G. Zakrzewski G. A. Voth P. Salvador J. J. Dannenberg S. Dapprich A. D. Daniels Farkas J. B. Foresman J. V. Ortiz J. Cioslowski D. J. Fox Gaussian Inc. Wallingford CT 2009.
10.1103/PhysRevB.71.235415
10.1107/S0365110X52001064
10.1016/0038-1098(95)00381-9
10.1103/PhysRevB.59.8551
10.1007/s003390100999
10.1103/PhysRevLett.96.136404
10.1021/nl1023707
10.1021/nl303601d
10.1088/0953-8984/22/30/304014
10.1103/PhysRevB.82.155460
10.1063/1.3557819
10.1103/PhysRevLett.100.067205
10.1038/16662
10.1038/nmat2529
10.1103/PhysRevLett.83.5050
10.1080/08927020008044113
Dates
Type | When |
---|---|
Created | 12 years, 2 months ago (June 18, 2013, 2:48 p.m.) |
Deposited | 1 year, 10 months ago (Oct. 10, 2023, 6:37 p.m.) |
Indexed | 3 weeks, 5 days ago (July 26, 2025, 4:43 a.m.) |
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Published | 12 years, 2 months ago (June 18, 2013) |
Published Online | 12 years, 2 months ago (June 18, 2013) |
Published Print | 12 years ago (Aug. 5, 2013) |
@article{Hod_2013, title={The Registry Index: A Quantitative Measure of Materials′ Interfacial Commensurability}, volume={14}, ISSN={1439-7641}, url={http://dx.doi.org/10.1002/cphc.201300259}, DOI={10.1002/cphc.201300259}, number={11}, journal={ChemPhysChem}, publisher={Wiley}, author={Hod, Oded}, year={2013}, month=jun, pages={2376–2391} }