《美国科学院院刊》（PNAS）于2026年9月22日在线发表了一项关于二维材料层间摩擦与超润滑机制的原位原子尺度研究。该研究由德国斯图加特马克斯·普朗克固体研究所的张学娇（Xuejiao Zhang）和Ham Jimin（共同第一作者）以及Kelvin Anggara（通讯作者）等人完成，论文标题为《Interlayer rotation (twisting) switches interlayer mobility in moiré superlattices》（层间旋转（扭转）切换莫尔超晶格中的层间迁移率）。研究通过球差校正扫描透射电子显微镜（STEM）对纳米尺度二硫化钼（MoS₂）双层莫尔超晶格进行实时原子追踪，揭示了界面公度性（commensurability）如何直接决定层间接触的“粘滞”或“滑移”行为，首次在原子尺度上建立了界面结构与层间迁移率之间的直接实验联系。

该研究属于纳米摩擦学（nanotribology）和二维材料莫尔超晶格（moiré superlattice）领域的交叉方向。层间摩擦的基础理论——结构超润滑（structural superlubricity）——早在1983年由Peyrard和Aubry以及1993年Shinjo和Hirano先后在理论上提出，其核心观点是：当两个接触晶面在原子尺度上晶格不匹配（非公度，incommensurate）时，界面滑动势垒趋近于零，从而产生极低的摩擦。尽管这一理论在石墨、二硫化钼、碳纳米管等体系中已通过宏观或介观摩擦实验得到间接支持，但受限于固体-固体掩埋界面的不可见性，此前一直缺乏对界面原子级公度结构与层间运动能力之间关系的直接实时观测。本研究的目标正是利用MoS₂纳米片双层莫尔超晶格作为模型体系，在透射电镜中原位观察并定量关联层间扭转（twisting）与层间滑动（sliding）动力学，从而验证结构超润滑的核心假设。

研究的工作流程可划分为三个相互衔接的实验与计算环节。第一步是纳米MoS₂莫尔超晶格的制备与初步表征。作者采用电喷雾离子束沉积（electrospray ion beam deposition, ESIBD）方法，将质量选择的硫代钼酸根寡聚离子在室温高真空条件下沉积到悬空石墨烯基底上，无需后退火即可形成单层及双层MoS₂纳米片。所得纳米片直径仅1–2纳米，远小于传统剥离法制备的微米级莫尔畴，因而避免了宏观二维材料中常见的波纹（rippling）、褶皱（folding）和莫尔畴畸变等非均匀结构。作者利用60 keV球差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）对纳米片进行实时成像，并通过追踪每一帧图像中所有Mo原子的位置来同时确定顶层与底层纳米片的全局取向角（global orientation）、局部Mo–Mo最近邻角度分布以及质心相对位移（relative center-of-mass, relCOM）。第二步是电子束诱导层间动力学实验。连续60 keV电子辐照可产生弹性电子-原子碰撞，作者通过从头算分子动力学（ab initio molecular dynamics, AIMD）模拟证明：当电子与纳米片边缘S原子发生弹性碰撞时，动量沿z轴传递可转化为面内旋转扭矩，驱动纳米片旋转；而与内部原子碰撞则主要激发振动。这一机制被用于可控地激发双层MoS₂中的层间扭转和层间滑动。实验中记录了两个代表性案例，层间接触面积分别约为2.4 nm²和4.9 nm²，每个案例连续观察约40分钟，帧率为4.7秒每帧。第三步是密度泛函理论（DFT）计算与动力学关联分析。作者对MoS₂纳米片-石墨烯体系及MoS₂纳米片-MoS₂单层衬底体系进行结构弛豫，利用爬坡弹性带（nudged elastic band, NEB）方法计算沿层间扭转坐标的最小能量路径，并通过单点计算构建不同扭转角下层间平移（滑动）的势能面。同时，作者通过Spearman相关系数量化了顶层与底层之间旋转及平移运动的同步性，以表征层间钉扎（pinning）或解钉扎（depinning）程度。数据分析流程包括：图像校准、热漂移校正、逐帧Mo原子追踪、全局与局部角度拟合、alpha形状面积计算以及傅里叶变换校验。

研究的主要结果体现在三个层面。第一，作者直接观察到了从公度接触到非公度接触的实时转变。在案例一中，双层MoS₂从AB′堆垛（θ_twist≈60°）转变为莫尔超晶格（θ_twist≈17°）；在案例二中，从AA堆垛（θ_twist≈4°）转变为另一个莫尔态（θ_twist≈34°）。实验统计得到的θ_twist分布峰位于4°、17°、34°和60°，与DFT计算的势能阱位置4°、15°、33°和58°高度吻合。值得注意的是，17°和34°对应的非公度态处于能量较高但势能面近乎平坦的区域，其θ_twist分布宽度约为公度态的两倍。这一现象被解释为熵稳定化（entropic stabilization）效应：非公度界面在扭转过程中吸引与排斥相互作用的求和几乎不变，从而产生大量近简并微观态，使体系在高能态停留时间显著增长。第二，层间滑动动力学呈现出与接触公度性强烈相关的面积差异。在公度接触（θ_twist=60°）下，相对质心运动被限制在仅0.6 Ų的极小区域内；而在近公度（θ_twist=4°）及非公度接触（θ_twist=17°和34°）下，滑动遍历面积分别扩大至3.0 Ų、2.8 Ų和6.9 Ų，最大增强达12倍。DFT计算的滑动势垒从公度接触的0.24 eV降低至非公度态的0.07–0.13 eV，降幅达45–70%，与实验趋势一致。第三，层间运动同步性分析揭示了界面钉扎的几何依赖特征。旋转同步性方面，θ_twist=60°和4°时Spearman相关系数ρ>0.5，表现为同步旋转，对应最大恢复扭矩分别为72 meV/度和62 meV/度；而θ_twist=17°和34°时ρ<0.5，表现为独立旋转，最大恢复扭矩仅为18 meV/度。平移同步性方面，公度接触的最大恢复力高达837 pN，而近公度和非公度接触的恢复力依次降低至316 pN、185 pN和88 pN，其中非公度态的恢复力范围与已有超润滑体系中实验测量和理论计算的力值一致。综合来看，公度界面实现了完全的取向钉扎和位置钉扎，使双层体系表现为单一刚体；非公度界面则实现了完全的取向解钉扎和位置解钉扎，层间运动互不耦合，这是超润滑效应的直接动力学标志；而近公度界面则呈现取向钉扎与位置解钉扎共存的中间状态，允许滑动但限制扭转。

本研究的结论明确指出：界面公度性在莫尔超晶格中起到“开关”层间迁移率的作用。非公度接触通过大幅降低层间滑动势垒和恢复力实现了高迁移率的滑移态，而公度接触则通过强恢复力和高势垒锁定为低迁移率的粘滞态。该结论从原子尺度实验上验证了结构超润滑的核心原理，即非公度界面在层间运动过程中吸引和排斥作用的总和保持不变，从而消除了能量耗散的主要来源。这一机制与化学反应中“断键能量损失同时由成键能量释放补偿则势垒降低”的概念在逻辑上同构。

本研究的科学价值在于：首次在透射电镜中实现了对掩埋固体-固体界面原子运动的直接、实时追踪，并通过定量关联界面原子结构、势能面和运动同步性，建立了长期以来缺失的结构-性质关系实验证据。其应用价值体现在两个方面：一方面，作者提出利用纳米片“贴瓷砖”式覆盖表面以制备宏观超润滑界面的策略，即将尺寸均匀的纳米片随机取向地铺展在原子级平坦表面上，确保两接触面之间始终为非公度接触，从而绕过宏观二维材料因波纹和褶皱引起的摩擦增强问题；另一方面，在动态扭转电子学（twistronics）器件方面，作者提出通过对纳米片上下表面进行Janus型或二维码式原子修饰以定制层间钉扎剖面，或通过共价连接光氧化还原、DNA或蛋白质纳米马达实现外场驱动的纳米转子与齿轮。此外，电子束作为一种无接触的纳米结构操纵手段，也为未来在表面上精确控制纳米物体的位置和取向提供了新思路。

本研究的亮点可以归纳为：其一，研究对象为直径仅1–2纳米的MoS₂双层纳米片，有效消除了宏观样品中的结构非均匀性；其二，实验方法利用电子束本身作为层间运动的激发源，无需外部机械驱动即可在原位观察扭转和滑动；其三，将原子级实时成像与DFT势能面计算和运动相关性统计有机结合，从能量、力和动力学三个维度定量刻画了层间迁移率开关过程；其四，发现了非公度态通过熵稳定化在实验时间尺度内保持高能态的新机制，丰富了莫尔超晶格动力学的物理图像。这些结果为纳米摩擦学、超润滑表面工程以及动态莫尔器件的发展提供了重要的实验基础与理论框架。