科研進展
蘭州化物所宏觀結構超潤滑研究獲新進展
結構超潤滑是近代摩擦學研究的一個重要分支，指兩個晶體表面非公度接觸時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域帶來變革性的進步。
中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室納米潤滑課題組，近年來圍繞結構超潤滑宏觀尺度實現(xiàn)與工程化應用方面開展研究，取得了系列進展（金屬催化誘導超滑ACS Appl. Mater. Interfaces (2021, 13, 3397)、基于微觀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），對推動結構超潤滑新概念技術和實現(xiàn)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結構超潤滑尺度設計與實現(xiàn)等方面取得新進展。以往結構超潤滑研究局限于由兩個晶體表面組成的單個有限尺寸（納米或微米量級）摩擦結上，公度與非公度轉(zhuǎn)變機理是解釋單個摩擦結滑動行為的基本科學原理，這導致結構超潤滑規(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現(xiàn)其在工程支撐基底上無破壞轉(zhuǎn)移，阻礙了結構超潤滑的宏觀放大和工程應用。因此，探索實現(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，對實現(xiàn)范德華異質(zhì)納米粉體的宏觀結構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的簡易方法，實現(xiàn)了二維納米粉體到異質(zhì)結轉(zhuǎn)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，實現(xiàn)了載荷、速度等可調(diào)、寬溫域（-200~300°C）和宏觀尺度結構超潤滑，揭示了異質(zhì)滑移和同質(zhì)鎖定的超滑調(diào)控機制。該研究結果對結構超潤滑的規(guī)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基金項目、中國科學院“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 摩擦學性能研究
圖3 異質(zhì)滑移和同質(zhì)鎖定的超滑調(diào)控機制理論研究
