地球上每年近三分之一的一次能源消耗被用來克服各種系統(tǒng)和設(shè)備的摩擦，這不僅造成了大量的能量損失，而且限制了能源效率的優(yōu)化。具有極低能耗的超低摩擦已成為工業(yè)應(yīng)用中節(jié)能、環(huán)保和機(jī)器長壽命運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，設(shè)計(jì)減摩抗磨方法對于節(jié)約能源、提高機(jī)械裝置使用壽命、減少環(huán)境污染具有重要意義。近年來，基于減緩磨損現(xiàn)象、控制摩擦行為等進(jìn)展，摩擦系數(shù)（COF）小于0.01的綠色超低摩擦現(xiàn)象被認(rèn)為是解決上述問題的可行策略。

近日，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)室材料表面與界面研究團(tuán)隊(duì)，受水黽在水面運(yùn)動具備高速、低摩擦、低阻力特性的啟發(fā)，構(gòu)建了一種具有有限潤濕區(qū)域的特殊浸潤界面，并利用納米摩擦儀搭建了一種固-液-氣-固多相復(fù)合摩擦系統(tǒng)，系統(tǒng)研究了基本摩擦學(xué)性能與潤滑介質(zhì)、特殊潤濕性和摩擦學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系（圖1）。

該工作以超疏水材料作為摩擦副、親水材料作為對偶，通過親水材料對水的黏附錨固出一個(gè)穩(wěn)定的水膜（圖1）。在超疏水表面，運(yùn)動過程中固液界面摩擦力主要受接觸角滯后力和液體黏性阻力（內(nèi)摩擦力）的影響。基于搭建的摩擦體系，研究人員通過改變注入水的體積，研究了摩擦系數(shù)隨液體體積的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采用40 μL去離子水時(shí)具有最低的動摩擦系數(shù)（μ=0.005）。通過改變接觸應(yīng)力和頻率，研究揭示了摩擦系數(shù)隨接觸應(yīng)力和滑移頻率的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了255 Pa的最大接觸應(yīng)力和0.002的最小摩擦系數(shù)，且在不同的邊界滑移速度下均可獲得超低的摩擦系數(shù)（圖1）。此外，通過兩界面間潤滑組分（水）的注入，可避免基底和對偶之間的直接接觸，進(jìn)而防止了磨損現(xiàn)象的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了零磨損。

圖1 超低摩擦體系的構(gòu)筑及摩擦學(xué)性能探究

研究團(tuán)隊(duì)采用多體耗散粒子動力學(xué)方法模擬了潤滑液膜的動態(tài)剪切，將不同剪切速度和載荷的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比（圖2），證實(shí)了該體系超低摩擦系數(shù)主要來源于滑移過程中接觸角滯后力。研究人員還發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)隨接觸應(yīng)力的增大而減小，隨頻率的增大而增大，表明所構(gòu)建的超低摩擦系統(tǒng)屬于流體潤滑范疇。

圖2 多體耗散粒子動力學(xué)模擬

圖3 體系摩擦力來源分析及應(yīng)用探究

研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)筑的超低摩擦體系在較長的時(shí)間范圍內(nèi)（～5000 s）具有動態(tài)穩(wěn)定性，將潤滑組分由水替換為離子液體后仍可實(shí)現(xiàn)較低的摩擦系數(shù)。該工作為搭建基于綠色潤滑組分的超低摩擦體系提供了模型。

相關(guān)研究成果以Super-wetting interfaces as multiphase composite prototype for ultra-low friction為題發(fā)表在Green Chemistry上。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目的支持。

（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）