構建宏觀超潤滑界面（摩擦系數在 0.001級別甚至更低）可顯著降低能源消耗、減少由摩擦引起的經濟損失。然而，較長的磨合期可能導致摩擦副表面出現嚴重的磨損。目前，縮短磨合期的策略大多是針對 Si₃N₄、 SiO₂、 Al₂O₃等陶瓷摩擦副，如何在短時間內實現軸承鋼摩擦副表面的超潤滑仍是迫切需要解決的技術難題。

　　中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室王道愛研究員團隊，前期設計開發了一系列基于天然有機酸（單寧酸、植酸）的液體超潤滑材料。研究人員利用天然有機酸、多元醇和水分子之間的協同效應，將氮化硅/玻璃等摩擦副界面達到超潤滑所需的磨合期縮短至 1s內。相關研究成果發表在 Friction（ 2023, 11, 748-762）、 Tribology International（ 2023, 183, 108387）和 ACS Applied Materials & Interfaces（ 2023, 15, 10302-10314）等上，獲中國發明專利授權兩項（ ZL 202111457707.1， ZL 202210561423.5）。然而具有短磨合期的鋼/鋼摩擦副超潤滑材料設計仍存在挑戰。

　　近日，該團隊設計了一種適用于軸承鋼摩擦副的液體超潤滑材料。研究人員通過將檸檬酸熱解制得的碳量子點（ CQDs）添加到聚乙二醇水溶液中，實現了鋼/鋼摩擦副界面的超潤滑（摩擦系數為 0.005），其磨合期僅有 44s，同時軸承鋼表面的磨損率降低了 77%（圖 1）。在摩擦過程中軸承鋼表面形成的潤滑膜包括吸附在摩擦副表面的 CQDs和摩擦化學反應生成的鐵氧化合物，在摩擦過程中作為邊界潤滑劑有效減少了表面粗糙峰之間的直接接觸（圖 2）。此外，結合分子動力學模擬，研究人員發現摩擦副表面的 CQDs吸附膜在流體動力潤滑區域還能減少潤滑劑分子鏈與摩擦副之間的相互作用力，從而降低了滑動過程中的摩擦阻力（圖 3）。該研究為在較短磨合期內實現軸承鋼摩擦副表面的超潤滑提供了新的設計思路。

圖 1.碳量子點的形貌以及復合潤滑材料的液體超潤滑性能

圖 2.磨損區域表面潤滑膜的表征

圖 3.分子動力學模擬

　　該研究工作近期以“ Accelerating Macroscale Superlubricity through Carbon Quantum Dots on Engineering Steel Surfaces”為題發表在 Advanced Functional Materials（ https://doi.org/10.1002/adfm.202310880）上，蘭州化物所杜長合博士生、楊濤博士生和于童童助理研究員為論文共同第一作者，王道愛研究員為通訊作者。

　　該液體超潤滑材料體系有望在金屬切削加工、軸承潤滑等領域獲得應用，相關實驗技術已申請發明專利一項（ CN 202310354323.X）。目前，團隊正積極推進該技術的應用轉化。

　　以上工作得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院重點研究計劃和甘肅省重大科技專項等的支持。