近日，清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室刘宇宏教授课题组基于复杂电场环境下粘附调控和面外变形调控的耦合效应，对ZIFs的电控超滑行为进行了系统解析，提出了一种高效、便捷的外加电场调控摩擦行为的策略。成果以“Electrotunable superlubricity of two-dimensional ZIF-8”为题发表在国际学术期刊《Carbon》(2025, 232, 119803)。论文第一作者为清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室博士生李昱昕，通讯作者为清华大学刘宇宏教授和上海大学王鲲鹏副教授。

研究背景

电场控制可以主动、动态、可重复地影响界面摩擦行为。由于实际应用环境的复杂性和可变性，基于单一影响机制的电控摩擦方法是不够的。为更好地适应应用场景中各种带电工作环境，亟需研究多种机制对电控超滑行为的耦合效应。随着材料科学的不断发展，固-固接触电致摩擦和电控摩擦的研究体系已从传统的碳材料（如石墨）和无机材料（如二硫化钼）转向半导体材料和复合材料。近年来，无机-有机杂化结构的出现，使固体超润滑领域从二维无机材料扩展到有机杂化分子，其中二维ZIF-8丰富的电学性能使其成为一种有望应用于机电设备的极具发展前景的新型润滑材料。

研究成果

刘宇宏教授课题组对纵向电场和横向电场作用下二维ZIF-8的电控超滑行为进行了研究，实现了摩擦系数跨数量级变化（μ:0.0037~0.0124）（图1a-b）。通过实验和仿真得出，电场对二维ZIF-8润滑性能的调节机制可归结为粘附调节与面外变形调节的耦合效应：锚定效应的减弱降低了探针与二维ZIF-8之间的粘附（图1c-d）；纵向电场作用下界面电荷的紧密结合以及横向电场作用下晶格拉伸引起的表面刚度的增加（图1e-j），都抑制了摩擦引起的褶皱变形。

ZIFs独特的无机有机杂化结构、高配位态和强大的电场-功能调节潜力，使得ZIFs表面超润滑的主动、动态和可重复控制成为可能，有望将其用作电子设备（如NEMS/MEMS）中的减摩层和抗磨层。此外，基于电场调控机制，我们得以更深入地理解ZIFs的微观摩擦行为以及诸多调节机制的耦合效应对润滑性能的影响（图2），并通过优化ZIFs的电学和力学特性推进其作为高性能超润滑材料的应用进程。二维ZIF-8的电控超滑特性有助于实现带电工况下机电系统摩擦界面的快速灵活调节，照亮了智能控制的未来发展之路。

图1 （a）纵向电场和（b）横向电场下的微观摩擦实验结果，（c）纵向电场和（d）横向电场下的体系能量，（e-j）横向电场下的原子摩擦图

图2 （a）纵向电场和（b）横向电场对二维ZIF-8表面超润滑的调控机制

该工作受到国家自然科学基金（52350323，52105194），国家资助博士后研究人员项目（GZB20230340），高端装备界面科学与技术全国重点实验室摩擦学科学基金（Grant No. SKLTKF23A04）和中国博士后科学基金（2023TQ0184，2023M731941）的支持。

《Carbon》是Elsevier出版社旗下材料科学领域的国际多学科期刊，专注于碳材料和碳纳米材料领域的科学进展，包括低维碳基纳米结构。最新影响因子IF=10.5。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622324010224?dgcid=coauthor