摩擦作為一種基本物理現(xiàn)象，極大地影響著人類生產(chǎn)生活。潤(rùn)滑材料是減小摩擦的重要途徑，其中分子水平結(jié)構(gòu)調(diào)控是潤(rùn)滑材料設(shè)計(jì)的核心。在宏觀世界，車(chē)輪、軸承的發(fā)明使得滾動(dòng)代替滑動(dòng)，大幅降低了摩擦（約100倍）；在微觀世界，如果能調(diào)控潤(rùn)滑材料分子構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪一樣的分子滾動(dòng)潤(rùn)滑，將為控制摩擦現(xiàn)象帶來(lái)新的原理和突破。該設(shè)想被摩擦學(xué)學(xué)者提出數(shù)十年，但仍無(wú)法被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。而超低溫是一種極端環(huán)境，電子、原子等微觀粒子運(yùn)動(dòng)被極大抑制，蘊(yùn)含了許多未知的摩擦學(xué)效應(yīng)，成為制約深空探測(cè)、超導(dǎo)等現(xiàn)代先進(jìn)裝備可靠潤(rùn)滑的難題；同時(shí)超低溫可消除常溫條件下的熱噪音背景，為研究摩擦現(xiàn)象提供了理想的途徑。

近期，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州潤(rùn)滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心磨損與表面工程課題組和潤(rùn)滑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算摩擦學(xué)課題組合作在超低溫下石墨摩擦界面演變與分子滾動(dòng)潤(rùn)滑機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了超低溫下石墨納米片自卷曲與分子滾動(dòng)潤(rùn)滑的現(xiàn)象，揭示了分子滾動(dòng)潤(rùn)滑的界面電子作用機(jī)理，為從分子尺度認(rèn)識(shí)與控制摩擦現(xiàn)象提供了新的認(rèn)知和設(shè)計(jì)原理。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)石墨納米片在100K以下靜態(tài)低溫條件下會(huì)發(fā)生邊緣自卷翹的奇特現(xiàn)象；利用這一效應(yīng)，在摩擦過(guò)程中剪切力可進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)其在摩擦界面上原位形成納米卷軸結(jié)構(gòu)，掃描電鏡圖像顯示這些納米卷軸呈現(xiàn)平行排列，且與滑動(dòng)方向垂直，證明其發(fā)生了分子滾動(dòng)潤(rùn)滑。同時(shí)石墨表現(xiàn)出反常的宏觀真空潤(rùn)滑特性，在50K真空條件下，潤(rùn)滑狀態(tài)變得平穩(wěn)而長(zhǎng)效，摩擦系數(shù)約0.06，磨損率僅為300　K時(shí)的1／50。通過(guò)密度泛函理論模擬計(jì)算，進(jìn)一步揭示了分子滾動(dòng)過(guò)程界面電荷能量耗散減弱的機(jī)制。該研究為解決傳統(tǒng)石墨類材料真空潤(rùn)滑性能差和超低溫潤(rùn)滑領(lǐng)域難題提供了全新解決思路和方案。

圖1．分子滾動(dòng)潤(rùn)滑的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和摩擦學(xué)性能

圖2．分子滾動(dòng)潤(rùn)滑作用機(jī)制

結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論模擬系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)研究了石墨納米片邊緣自卷翹形變的影響因素、結(jié)構(gòu)演變和形成機(jī)理。結(jié)果表明，超低溫環(huán)境下，非平衡溫度場(chǎng)導(dǎo)致了原子的不均勻收縮，石墨片上下表面產(chǎn)生了方向相反的應(yīng)力，驅(qū)動(dòng)了石墨片邊緣的自卷翹；同時(shí)發(fā)現(xiàn)熱振動(dòng)對(duì)原子間應(yīng)力傳遞的耗散作用，當(dāng)溫度低于100K時(shí)，原子熱振動(dòng)顯著減弱，原子間應(yīng)力傳遞耗散被抑制，促進(jìn)了石墨納米片自卷翹形變的發(fā)生。該研究將為認(rèn)識(shí)微觀粒子受力傳遞規(guī)律和納米形變機(jī)理提供新的理解，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種利用溫度操控自卷曲納米形變行為的新方法，在潤(rùn)滑、傳感等眾多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

圖3．石墨分子卷軸形成過(guò)程結(jié)構(gòu)演變與機(jī)理

圖4．原子振動(dòng)對(duì)應(yīng)力傳遞與納米形變的影響作用

相關(guān)研究成果以“Acquisition　of　molecular　rolling　lubrication　by　self－curling　of　graphite　nanosheet　at　cryogenic　temperature”　為題發(fā)表在Nature　Communications（2024，　5，　5747；　https：／／doi．org／10.1038／s41467－024－49994－4）上。蘭州化物所博士后李畔畔和項(xiàng)目副研究員何文豪為論文共同第一作者，吉利研究員、魯志斌研究員、李紅軒研究員和陳建敏研究員為共同通訊作者。

該工作得到了中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員、中國(guó)科學(xué)院西部之光西部交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、國(guó)家博后計(jì)劃、蘭州化物所一三五項(xiàng)目和隴原青年英才計(jì)劃等的支持。