清华大学团队实现固-液界面结构超滑新突破

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清华大学团队实现固-液界面结构超滑新突破

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澎湃

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清华大学机械工程系雒建斌院士、何永勇研究员团队在润滑领域取得重要突破，成功在固-液界面实现超滑现象，并将其定义为"相变结构超滑"（PTSS）。这一创新性研究成果发表在Cell Press旗下旗舰期刊Matter上，为超滑理论的探索和实际应用开辟了新的方向。

研究背景

超滑（Superlubricity）是物理学中一个令人着迷的现象，指的是摩擦界面间的摩擦和磨损几乎完全消失的状态。根据产生机理的不同，超滑可分为液体超滑、固体超滑和固-液耦合超滑。其中，液体超滑和固-液耦合超滑虽然能直接应用于多数工程场景，但承载能力较差；而结构超滑虽然承载能力强，但苛刻的条件限制了其应用范围。

相变结构超滑理论示意图

研究亮点

研究团队通过以下创新方法实现了固-液界面的结构超滑：

摩擦诱导石墨烯二维材料在摩擦界面原位生成晶态边界润滑膜
接触压力诱导1-十二烷醇润滑介质发生液-固相转变行为
在晶态边界润滑膜与固相1-十二烷醇分子层之间构建原位异质结
原位异质结的非公度剪切滑移特性实现固-液界面结构超滑

研究内容

1. 保护性氧化剥离方法制备聚多巴胺纳米微球修饰的石墨烯复合材料

研究团队开发了一种新型保护性氧化剥离方法，制备出物理超平整的石墨烯二维材料，并在其表面原位聚合生长聚多巴胺（PDA）纳米微球，制备得到PDA#G12复合材料。这种材料通过酰胺键与石墨烯实现共价连接，增强了石墨烯在摩擦界面的吸附特性。

图2 相变结构超滑的宏观表征及晶态边界润滑膜的行为特性

2. 相变结构超滑的宏观摩擦学特性及晶态边界润滑膜的行为特征

研究人员将PDA#G12复合材料分散在1-十二烷醇润滑介质中，在Hertz接触应力为329~685 MPa的条件下实现了宏观超滑现象。同时，在磨痕表面生成厚度达到480 nm的石墨烯晶态边界润滑膜。PDA纳米微球通过与石墨烯的脱水酰胺化反应和与对摩副表面的FeOOH的螯合脱水相互作用，显著增强了石墨烯在磨痕表面的共价吸附能力。

3. 压力诱导1-十二烷醇的液-固相转变行为及相变结构超滑的剪切面位置

通过金刚石对顶砧设备发现，室温条件下1-十二烷醇液体在压力达到141 MPa左右时会发生液-固相转变行为，由液相转变为固相，且这种转变是可逆的。固相1-十二烷醇分子层通过羟基之间形成氢键，自组装形成"鱼骨"状排列形式。AFM微观摩擦学实验证明，相变结构超滑现象发生时，界面的剪切面发生在晶态边界润滑膜与固相的1-十二烷醇分子层之间。

图3 接触压力诱导1-十二烷醇液-固相转变行为及相变结构超滑的剪切面位置

4. 相变结构超滑现象的机理及行为规律

通过AFM微观摩擦学实验和分子动力学模拟计算结果证明，原位异质结的摩擦行为具有180º周期性特征，当1-十二烷醇的分子轴线方向与摩擦运动方向夹角为90º时，相变结构超滑现象出现。相变结构超滑发生的理论判据包括：（ⅰ）摩擦界面形成晶态边界润滑膜；（ⅱ）压力诱导1-十二烷醇发生液-固相结构转变。

图4 原位异质结的非公度剪切滑移角度依赖规律

主要结论

研究团队通过在石墨烯诱导生成的晶态边界润滑膜，与接触压力诱导生成的固相1-十二烷醇分子层之间构建原位异质结，并利用原位异质结的非公度剪切滑移，在固-液界面实现了结构超滑，并将这种全新的状态定义为"相变结构超滑"（PTSS）。这一发现为实现结构超滑提供了一种全新的设计策略，是连接液体超滑与固体超滑的重要纽带，促进了超滑理论的探索和实际应用的进步。