To understand the lubrication mechanism on ice, a deep understanding of the atomic-scale friction characteristics of the water layer is required. Two-dimensional materials such as graphene have definable atomic flatness, providing an excellent model for examining the tribological properties of water. Atomic force microscopy (AFM) is a versatile technique that gathers various tribological information via the inter-atomic interaction at the sharp tip/sample interface. Many studies such as finding out the isotopic effect of adsorbed water on the frictional force have been conducted with it.
In this dissertation, Chapter 1 explains the relations between surface chemistry and friction on the aspect of energy transfer at the interface. In Chapter 2, the operating principles of atomic force microscopy in terms of configuration and experimental examples is discussed. In Chapter 3, the correlation between the friction force and each confined water region intercalated between graphene and hydrophilic mica was investigated by AFM. Phonon density of state (DOS) calculation suggests that the friction dependence of graphene and water layers was highly correlated with the overlapping of phonon vibration modes for each model environment. If water was mixed with heavy water, the slower vibration rate of heavy water caused a decrease in friction force. This friction behavior was shown similar when graphene was replaced by MoS2, indicating that the friction on confined water is a general phenomenon. In Chapter 4, the nanoscale friction behavior of confined water layer under various relative humidity (RH) conditions was investigated by using AFM. In ambient conditions, SiO2/Si had higher friction than that on single-layer graphene (SLG). At high RH (>98 %), superlubrication behavior was observed on SiO2/Si compared to SLG. These results suggest that the slippery surface consisting of adsorbed water molecules at the contacting interface induces gliding motion in high RH environment. Overall, these findings show that friction is mediated by phonons, which is heavily governed by the surface characteristics.
얼음 위의 윤활 메커니즘의 이해를 위해 물 층의 원자 규모 마찰 특성에 대한 심도 높은 이해가 필요하다. 그래핀과 같은 2차원 물질은 정의 가능한 원자적 평탄성을 갖추어서 물의 마찰역학적 특성을 조사하기 위한 우수한 모델을 제공한다. 원자 힘 현미경은 뾰족한 팁과 샘플 간 계면에서의 원자 간 상호 작용을 통해 다양한 마찰역학적 정보를 수집하는 다목적 기법이다. 이를 통해 마찰력에 대한 흡착된 물의 동위원소적 효과를 알아내는 등의 많은 연구가 진행되어 왔다.본 학위논문의 제1 장은 표면 화학과 마찰역학간의 연계성을 계면에서의 에너지 전환 측면에서 설명하였다. 제2 장에서는 원자 힘 현미경의 작동 원리를 구성 및 실험 사례 측면에서 논의하였다. 제3 장에서, 원자 힘 현미경을 이용하여 그래핀과 친수성 운모 사이에 삽입된 갇힌 물에서 마찰력과 각 영역간의 상관관계를 설명하였다. 포논 상태밀도 계산 결과, 그래핀과 물 층의 마찰 의존성과 각 모델 환경에 대해 추가로 생성된 포논 진동 모드 간의 높은 상관성을 확인하였다. 물을 중수로 대체한 결과, 무거운 중수의 느린 진동 속도가 마찰력 감소를 야기하였다. 그래핀을 MoS2로 대체한 경우 마찰 거동이 그래핀과 유사하여, 갇힌 물에서의 마찰현상이 보편적임을 확인하였다. 제4 장에서는 여러 상대습도 조건 하에 갇힌 물 층의 나노 크기에서 마찰 거동을 원자 힘 현미경을 통해 알아보았다. 평상 습도에서는 친수성 기판이 단층 그래핀보다 마찰력이 높았다. 높은 습도(>98 %)에서는 실리카의 상대적 마찰에 과윤활 거동이 관찰되었다. 이러한 결과는 고습도 환경에서 접촉 계면의 많은 물 분자가 이룬 표면이 미끄러짐 운동을 유도함을 시사한다. 전반적으로, 이러한 연구결과는 마찰력이 표면의 특성에 많은 영향을 받는 포논으로 매개됨을 보여준다.
