科研進(jìn)展
蘭州化物所宏觀(guān)結構超潤滑研究獲新進(jìn)展
結構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)。結構超潤滑將為太空探測、空間運輸、精密制造和高端裝備等領(lǐng)域帶來(lái)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)驗室納米潤滑課題組，近年來(lái)圍繞結構超潤滑宏觀(guān)尺度實(shí)現與工程化應用方面開(kāi)展研究，取得了系列進(jìn)展（金屬催化誘導超滑ACS Appl. Mater. Interfaces (2021, 13, 3397)、基于微觀(guān)尺度彈性變形分散接觸應力的高承載結構超潤滑 Chemical Engineering Journal (2022, 431, 133548)和摩擦限域促成粗糙表面上結構超潤滑Advanced Functional Materials (2022, 2111365)等），對推動(dòng)結構超潤滑新概念技術(shù)和實(shí)現工程應用具有重要意義。
近日，研究人員在面向工程應用的宏觀(guān)結構超潤滑尺度設計與實(shí)現等方面取得新進(jìn)展。以往結構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）摩擦結上，公度與非公度轉變機理是解釋單個(gè)摩擦結滑動(dòng)行為的基本科學(xué)原理，這導致結構超潤滑規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)現其在工程支撐基底上無(wú)破壞轉移，阻礙了結構超潤滑的宏觀(guān)放大和工程應用。因此，探索實(shí)現商業(yè)規模生產(chǎn)的范德華異質(zhì)納米粉體的宏觀(guān)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，同時(shí)形成有序摩擦結后大量有限尺寸結之間非常復雜的接觸重構，對實(shí)現范德華異質(zhì)納米粉體的宏觀(guān)結構超潤滑提出了重大挑戰。
研究人員開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)摻入石墨烯邊緣氧削弱納米粉體邊緣釘扎效應的簡(jiǎn)易方法，實(shí)現了二維納米粉體到異質(zhì)結轉化，制備了由大量納米尺度同質(zhì)結和異質(zhì)結共存的材料，實(shí)現了載荷、速度等可調、寬溫域（-200~300°C）和宏觀(guān)尺度結構超潤滑，揭示了異質(zhì)滑移和同質(zhì)鎖定的超滑調控機制。該研究結果對結構超潤滑的規模放大和工程應用具有重要意義。
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)基金項目、中國科學(xué)院“西部之光”人才項目、中國科協(xié)海智計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)鎖定的超滑調控機制理論研究
