科研進(jìn)展
蘭州化物所宏觀結(jié)構(gòu)超潤滑研究獲新進(jìn)展
結(jié)構(gòu)超潤滑是近代摩擦學(xué)研究的一個(gè)重要分支，指兩個(gè)晶體表面非公度接觸時(shí)摩擦近乎為零的潤滑狀態(tài)。結(jié)構(gòu)超潤滑將為太空探測、空間運(yùn)輸、精密制造和高端裝備等領(lǐng)域帶來變革性的進(jìn)步。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室納米潤滑課題組，近年來圍繞結(jié)構(gòu)超潤滑宏觀尺度實(shí)現(xiàn)與工程化應(yīng)用方面開展研究，取得了系列進(jìn)展（金屬催化誘導(dǎo)超滑ACS Appl. Mater. Interfaces (2021, 13, 3397)、基于微觀尺度彈性變形分散接觸應(yīng)力的高承載結(jié)構(gòu)超潤滑 Chemical Engineering Journal (2022, 431, 133548)和摩擦限域促成粗糙表面上結(jié)構(gòu)超潤滑Advanced Functional Materials (2022, 2111365)等），對推動結(jié)構(gòu)超潤滑新概念技術(shù)和實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用具有重要意義。
近日，研究人員在面向工程應(yīng)用的宏觀結(jié)構(gòu)超潤滑尺度設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等方面取得新進(jìn)展。以往結(jié)構(gòu)超潤滑研究局限于由兩個(gè)晶體表面組成的單個(gè)有限尺寸（納米或微米量級）摩擦結(jié)上，公度與非公度轉(zhuǎn)變機(jī)理是解釋單個(gè)摩擦結(jié)滑動行為的基本科學(xué)原理，這導(dǎo)致結(jié)構(gòu)超潤滑規(guī)模放大途徑集中于如何制備大尺寸二維單晶材料和如何實(shí)現(xiàn)其在工程支撐基底上無破壞轉(zhuǎn)移，阻礙了結(jié)構(gòu)超潤滑的宏觀放大和工程應(yīng)用。因此，探索實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的范德華異質(zhì)納米粉體的宏觀超滑途徑至關(guān)重要。然而，范德華異質(zhì)納米粉體摩擦前難以形成有序結(jié)，同時(shí)形成有序摩擦結(jié)后大量有限尺寸結(jié)之間非常復(fù)雜的接觸重構(gòu)，對實(shí)現(xiàn)范德華異質(zhì)納米粉體的宏觀結(jié)構(gòu)超潤滑提出了重大挑戰(zhàn)。
研究人員開發(fā)了一種通過摻入石墨烯邊緣氧削弱納米粉體邊緣釘扎效應(yīng)的簡易方法，實(shí)現(xiàn)了二維納米粉體到異質(zhì)結(jié)轉(zhuǎn)化，制備了由大量納米尺度同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)共存的材料，實(shí)現(xiàn)了載荷、速度等可調(diào)、寬溫域（-200~300°C）和宏觀尺度結(jié)構(gòu)超潤滑，揭示了異質(zhì)滑移和同質(zhì)鎖定的超滑調(diào)控機(jī)制。該研究結(jié)果對結(jié)構(gòu)超潤滑的規(guī)模放大和工程應(yīng)用具有重要意義。
圖1 整體研究思路圖
相關(guān)研究成果以“Tunable, wide-temperature and macroscale superlubricity enabled by nanoscale van der Waals heterojunction-to-homojunction transformation”為題發(fā)表在Advanced Materials(https://doi.org/10.1002/adma.202303580)上。蘭州化物所楊興博士后為論文第一作者，張俊彥研究員和王永富副研究員為通訊作者。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國科學(xué)院“西部之光”人才項(xiàng)目、中國科協(xié)海智計(jì)劃和蘭州化物所青年科技工作者協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟合作基金等的支持。
圖2 摩擦學(xué)性能研究
圖3 異質(zhì)滑移和同質(zhì)鎖定的超滑調(diào)控機(jī)制理論研究
