蔡美荣等：原位机械/摩擦化学体系构建的自适应润滑研究取得新进展

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机械诱导的摩擦化学反应能调控界面摩擦状态，成为润滑材料优异摩擦学性能的关键。但传统意义的摩擦化学研究大多聚焦于润滑材料在摩擦过程中的表界面化学现象，由现象推导过程，再回馈于润滑材料的研发设计。理想的润滑剂能针对高端机械装备服役过程中不同工况的变化进行“自我调控”来满足复杂多变的服役工况，这意味着润滑体系具有自适应特性。然而，目前还没有任何体系具有这种特点，这成为该领域的关键科学难题和技术挑战。同时，结合当今润滑材料逐渐向“功能化”“智能化”“自适应”等发展的特点，回归其“力化学”的本质，巧妙利用摩擦力及界面相互作用，对摩擦化学体系的有序设计、创新丰富摩擦化学理论、绿色可持续性润滑材料的发展等有重要意义。
　　近日，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室材料表面与界面研究团队从机械化学和摩擦化学的共性科学问题出发，将机械化学界面有序设计策略引入到摩擦化学的研究思路中，创新性地提出了基于界面摩擦诱导的原位click摩擦化学反应（tribo-click）构建的自适应润滑。这种新颖的定向诱导自适应润滑体系将机械化学与经典的click反应相结合，在金属铜滑动界面上原位生成三氮唑类活性产物，其中铜既是滑动摩擦副，更是tribo-click反应的催化源（亚铜离子）（图1）。与传统的界面改性不同，这里摩擦剪切作用力既是参与者又是受益者，摩擦作为动力实时地催化铜界面上的摩擦化学反应，生成的活性产物即时地补偿界面磨损消耗并立即形成摩擦膜保护滑动界面。可见，“取之摩擦，用之摩擦”这一巧妙策略，是实现自适应润滑的关键。

图1. 界面摩擦诱导原位tribo-click自润滑体系示意图

　　研究结果表明：在高承载和多工况条件下，原位tribo-click体系都能高效地实现摩擦降低，并在矿物油和合成基础油中均表现出优异的自适应润滑性。分子动力学模拟表明：原位tribo-click自润滑体系实现了界面摩擦膜的形成、消耗和补给的动态平衡过程，这归功于原位活性产物在界面上的延伸平行吸附模型和接触区富集机制。因此，界面摩擦诱导原位tribo-click自润滑体系在系统设计和性能优化方面，丰富了智能自适应润滑体系的研究。同时，这种减摩抗磨的概念验证策略将彻底改变润滑体系的未来设计，对机械工程中的润滑系统和技术的新发展具有重要意义和价值。相关研究成果以“Friction induced mechanochemistry: self-adaptive lubrication through in-situ tribo-click system”为题发表在 Chemical Engineering Journal (2023,454,139722), DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139772上，中国科学院大学博士董瑞为论文第一作者，周峰研究员、蔡美荣研究员为通讯作者。
　　同时，该团队与兰州大学梁永民教授团队合作，巧妙利用高反应活性缺陷表面的构建策略，结合纳米铜颗粒在摩擦过程中的修复效应，在钢/钢摩擦界面上构筑了“铁夹杂铜”的“新鲜表面”，进一步使原位摩擦点击化学反应（tribo-click）构建的自适应润滑体系得以在高载荷条件的钢/钢摩擦界面成功实现定向诱导。研究者利用离子液体的极性吸附和纳米铜的修复效应，在钢/钢摩擦过程中，实现了点击化学的定向诱导，并研究了其独特的表界面行为，实现了在工业应用更为广泛的钢/钢摩擦配副和多种基础油中的原位自润滑体系的构建。
　　研究结果表明：该体系凭借摩擦化学的动态性和点击化学的普适性，在多种基础油中实现了优异的润滑稳定性，展现出极大的工业应用潜能。同时，该体系独特的界面行为能够在摩擦界面高效吸附，克服了传统润滑体系在不同基础油中溶解性差的难题，在苛刻条件下用作钢/钢摩擦配副表现出优异的减摩效果。此外，不同于外源性添加剂，该摩擦化学反应体系在摩擦力的驱动下原位生成“润滑添加剂”，其直接作用于滑动界面形成了多金属双重吸附的摩擦化学反应膜，在节省人力物力的同时，展现出了极强的绿色可持续性和自适应润滑特性。目前，该润滑调控体系已获中国发明专利授权（ZL 202210065887.7）。相关成果以“Tribological gain enabled by synergy of copper nanoparticles and friction induced in-situ tribo-click reaction”为题发表在Journal of Materials Chemistry A (2022), DOI: https://doi.org/10.1039/D2TA06570C上，兰州大学联合培养硕士生徐浩喆为论文第一作者，蔡美荣研究员，王新刚助理研究员、兰州大学梁永民教授为通讯作者。
　　以上研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点和面上项目、甘肃省杰出青年基金项目的支持。
       文章来源：兰州化物所
       蔡美荣，中国科学院兰州化学物理研究所研究员。主要从事高性能润滑材料和摩擦学机理研究, 在润滑材料的设计合成、表征和润滑性能等研究方面积累了较丰富的经验。近几年在离子液体和凝胶润滑材料的研究方面取得了一定的成绩，已在Adv. Mater.，J. Mater. Chem.，Chem. Commun.，Faraday Discussions，ACS Appl.Mater.Interf.，Soft Matter，Macromolecules， Adv. Mater. Interf.，和 Wear，Tribol. Lett.，Tribol. Inter.等摩擦学专业国际学术期刊发表论文60余篇，其中SCI 收录论文50多篇，申请中国发明专利24件，研究成果获“摩擦学温诗铸枫叶奖”。2012年曾获中国科学院“朱李月华”优秀博士生，2018年入选中国科学院“青年创新促进会”会员。