刘宇宏

清华大学机械系

国家自然科学基金优秀青年科学基金项目，项目编号51522504

现代机械的飞速发展，尤其是微/纳机电系统的兴起，对润滑领域提出了超低摩擦和近零磨损的新要求，在这样的背景下，超滑（superlubricity）的概念得到了越来越多的关注。目前对于固体超滑的研究主要集中在石墨、二硫化钼等二维材料，其有序的平面结构和平滑的势能面使得其摩擦学性能十分优异。

图1.传统润滑与超滑（左图）；微/纳机电系统中的粘着失效（中图）与磨损失效（右图）

为了进一步扩展实现固体超滑的材料体系，促进固体超滑在微/纳机电系统中的应用，还有许多技术挑战需要去研究与解决：如何将固体超滑体系从无机材料向其他功能材料进一步扩展？究竟什么样的材料能够实现固体超滑？超滑与界面结构和材料性质之间到底存在着怎样的耦合关系？

为解决上述在固体超滑领域的前沿问题，清华大学摩擦学国家重点实验室刘宇宏副教授课题组构建了多种界面超分子组装体系，并对其纳米摩擦特性进行了深入研究。通过在高定向热裂解石墨（HOPG）表面构建主体模板网络的方式，成功实现富勒烯类分子的规则有序组装和微观超滑。超滑的实现主要归因于球状富勒烯分子的原位旋转和较为平滑的势能面这两个因素。这一发现为实现更多功能分子的超滑提供了潜在的思路。课题组还通过制备多种方格形的二维金属有机骨架（MOFs），成功实现了MOFs体系的微观超滑。通过DFT计算明确了微观摩擦实验中，探针与MOFs表面的作用位点和MOFs表面摩擦的主要来源，经过实验中原子级粘滑现象证实了这种摩擦机制。通过将MOFs的结构单元与其微观摩擦学性能进行比对，建立了两者之间的映射构效关系，并为接下来的MOFs薄膜制备和宏观超滑的实现打下了基础。

图2.富勒烯主客体组装的结构与超滑（左图、中图）；二维金属有机骨架（MOFs）的制备与超滑（右图）