摩擦を使った機能性界面の形成 ~炭素系非晶質材料によく滑る表面ができるメカニズムの一端を解明~

2026-05-25 大阪公立大学

大阪公立大学(Osaka Metropolitan University)大学院工学研究科の研究グループは、アモルファスカーボン表面で超潤滑が発現する仕組みを原子レベルで解明した。研究では、量子化学・分子動力学シミュレーションを用いた大規模ハイスループット計算により、摩擦時のせん断作用によってグラフェン様界面が形成されることが超低摩擦化の原因であることを明らかにした。特に、不純物元素が芳香環形成の起点となり、「せん断誘起表面芳香族化」によってグラフェン様構造の核生成・成長が進行し、摩擦係数が急激に低下することを発見した。窒素、酸素、フッ素など3価以下の低価数元素は界面形成を促進し、特にフッ素が高い効果を示した。一方、不純物量が過剰な場合は化学終端構造が形成され、別の超潤滑機構が働くことも判明した。本成果は、摩擦界面を自律的に最適化する新たな材料設計指針を示し、省エネルギー機械や自己修復型潤滑材料開発への応用が期待される。

摩擦を使った機能性界面の形成 ~炭素系非晶質材料によく滑る表面ができるメカニズムの一端を解明~
図1 せん断誘起表面芳香族化による超潤滑界面の形成
空孔胚※7の発生からグラフェン様界面形成までのメカニズム

<関連情報>

非晶質炭素におけるせん断誘起による芳香族超低摩擦界面の出現:化学的不純物と原子スケールのメカニズムの誘発 Shear-Induced Emergence of Aromatic Superlow-Friction Interfaces in Amorphous Carbon: Triggering Chemical Impurities and Atomic-Scale Mechanisms

Takuya Kuwahara, Koki Horiguchi, Leonhard Mayrhofer, Gianpietro Moras, Michael Moseler
Advanced Science  Published: 25 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/advs.75566

ABSTRACT

Incommensurate graphitic interfaces represent an archetypical tribological system to achieve superlow friction. They are currently realized by molecular deposition or lubrication-triggered, in situ formation of graphitic nanolayers. An alternative route exploits shear-induced aromatization of amorphous carbon (a-C). This process occurs directly at surface asperity contacts, relying on chemical impurities like hydrogen and oxygen. Despite the potential of this approach, the lack of mechanistic knowledge, particularly on the role of impurities, is an obstacle to its development and application. To address these gaps, we undertake a systematic simulation study consisting of 1,000 1-ns-long quantum-mechanical molecular dynamics trajectories of sheared a-C with and without impurities. No aromatic interfaces emerge for four-valent systems like pure or silicon-doped a-C. However, shear-induced aromatization is consistently observed for impurities with valency lower than four. These cause the formation of voids surrounded preferentially by sp2-hybridized carbon atoms. Upon plastic flow, they stabilize long-living cavities that evolve into passivated interfaces, rich in polycyclic aromatic structures. The process is driven by shear localization, while passivation by low-valent impurities prevents reformation of sp3-hybridized domains. This study provides the first comprehensive screening of chemical elements triggering shear-induced carbon aromatization and is a step forward toward the design of self-forming and self-healing, superlubric carbon interfaces.

0102材料力学
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