兰州化物所超低温摩擦界面演变与分子滚动润滑机理研究获进展

摩擦作为一种基本物理现象，极大地影响着人类生产生活。润滑材料是减小摩擦的重要途径，其中分子水平结构调控是润滑材料设计的核心。在宏观世界，车轮、轴承的发明使得滚动代替滑动，大幅降低了摩擦（约100倍）；在微观世界，如果能调控润滑材料分子构型，实现车轮一样的分子滚动润滑，将为控制摩擦现象带来新的原理和突破。该设想被摩擦学学者提出数十年，但仍无法被实验证实。而超低温是一种极端环境，电子、原子等微观粒子运动被极大抑制，蕴含了许多未知的摩擦学效应，成为制约深空探测、超导等现代先进装备可靠润滑的难题；同时超低温可消除常温条件下的热噪音背景，为研究摩擦现象提供了理想的途径。

近期，中国科学院兰州化学物理研究所兰州润滑材料与技术创新中心磨损与表面工程课题组和润滑材料重点实验室计算摩擦学课题组合作在超低温下石墨摩擦界面演变与分子滚动润滑机理研究方面取得重要进展。研究团队发现了超低温下石墨纳米片自卷曲与分子滚动润滑的现象，揭示了分子滚动润滑的界面电子作用机理，为从分子尺度认识与控制摩擦现象提供了新的认知和设计原理。

研究团队发现石墨纳米片在100K以下静态低温条件下会发生边缘自卷翘的奇特现象；利用这一效应，在摩擦过程中剪切力可进一步驱动其在摩擦界面上原位形成纳米卷轴结构，扫描电镜图像显示这些纳米卷轴呈现平行排列，且与滑动方向垂直，证明其发生了分子滚动润滑。同时石墨表现出反常的宏观真空润滑特性，在50K真空条件下，润滑状态变得平稳而长效，摩擦系数约0.06，磨损率仅为300 K时的1/50。通过密度泛函理论模拟计算，进一步揭示了分子滚动过程界面电荷能量耗散减弱的机制。该研究为解决传统石墨类材料真空润滑性能差和超低温润滑领域难题提供了全新解决思路和方案。

图1.分子滚动润滑的实验证据和摩擦学性能

图2.分子滚动润滑作用机制

结合实验和理论模拟系统，研究团队研究了石墨纳米片边缘自卷翘形变的影响因素、结构演变和形成机理。结果表明，超低温环境下，非平衡温度场导致了原子的不均匀收缩，石墨片上下表面产生了方向相反的应力，驱动了石墨片边缘的自卷翘；同时发现热振动对原子间应力传递的耗散作用，当温度低于100K时，原子热振动显著减弱，原子间应力传递耗散被抑制，促进了石墨纳米片自卷翘形变的发生。该研究将为认识微观粒子受力传递规律和纳米形变机理提供新的理解，同时发现了一种利用温度操控自卷曲纳米形变行为的新方法，在润滑、传感等众多领域具有广泛应用价值。

图3.石墨分子卷轴形成过程结构演变与机理

图4.原子振动对应力传递与纳米形变的影响作用

相关研究成果以“Acquisition of molecular rolling lubrication by self-curling of graphite nanosheet at cryogenic temperature” 为题发表在Nature Communications（2024, 5, 5747; https://doi.org/10.1038/s41467-024-49994-4）上。兰州化物所博士后李畔畔和项目副研究员何文豪为论文共同第一作者，吉利研究员、鲁志斌研究员、李红轩研究员和陈建敏研究员为共同通讯作者。

该工作得到了中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会优秀会员、中国科学院西部之光西部交叉团队项目、国家博后计划、兰州化物所一三五项目和陇原青年英才计划等的支持。