構(gòu)建宏觀超潤(rùn)滑界面（摩擦系數(shù)在0.001級(jí)別甚至更低）可顯著降低能源消耗、減少由摩擦引起的經(jīng)濟(jì)損失。然而，較長(zhǎng)的磨合期可能造成摩擦副表面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。目前，縮短磨合期的策略多針對(duì)Si3N4、SiO2、Al2O3等陶瓷摩擦副。如何在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)軸承鋼摩擦副表面的超潤(rùn)滑是亟需解決的技術(shù)難題。

前期，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王道愛(ài)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了一系列基于天然有機(jī)酸（單寧酸、植酸）的液體超潤(rùn)滑材料。該團(tuán)隊(duì)利用天然有機(jī)酸、多元醇和水分子之間的協(xié)同效應(yīng)，使氮化硅/玻璃等摩擦副界面達(dá)到超潤(rùn)滑所需的磨合期縮短至1s內(nèi)。然而，具有短磨合期的鋼/鋼摩擦副超潤(rùn)滑材料設(shè)計(jì)仍然存在挑戰(zhàn)。

近日，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出適用于軸承鋼摩擦副的液體超潤(rùn)滑材料。研究通過(guò)將檸檬酸熱解制得的碳量子點(diǎn)（CQDs）添加到聚乙二醇水溶液中，實(shí)現(xiàn)了鋼/鋼摩擦副界面的超潤(rùn)滑（摩擦系數(shù)為0.005），其磨合期僅有44s，同時(shí)軸承鋼表面的磨損率降低了77%（圖1）。摩擦過(guò)程中軸承鋼表面形成的潤(rùn)滑膜包括吸附在摩擦副表面的CQDs和摩擦化學(xué)反應(yīng)生成的鐵氧化合物，在摩擦過(guò)程中作為邊界潤(rùn)滑劑有效減少了表面粗糙峰之間的直接接觸（圖2）。此外，研究結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，摩擦副表面的CQDs吸附膜在流體動(dòng)力潤(rùn)滑區(qū)域可減少潤(rùn)滑劑分子鏈與摩擦副之間的相互作用力，從而降低滑動(dòng)過(guò)程中的摩擦阻力（圖3）。這一成果為在較短磨合期內(nèi)實(shí)現(xiàn)軸承鋼摩擦副表面的超潤(rùn)滑提供了新的設(shè)計(jì)思路。

這一液體超潤(rùn)滑材料體系有望應(yīng)用于金屬切削加工、軸承潤(rùn)滑等領(lǐng)域，相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)已申請(qǐng)發(fā)明專利一項(xiàng)。當(dāng)前，該團(tuán)隊(duì)正在積極推進(jìn)該技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

相關(guān)研究成果以Accelerating Macroscale Superlubricity through Carbon Quantum Dots on Engineering Steel Surfaces為題，發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃和甘肅省重大科技專項(xiàng)等的支持。