研究背景

目前已报到的微观摩擦机制大多数与润滑材料的本征结构参数有关，例如表面变形能力（褶皱）、粘附、环境化学反应性等等。但目前所使用的润滑材料无法同时克服这些摩擦机制来实现最优性能。MoS2、云母等无机材料相比于有机材料来说表面刚度大，变形能力弱，但是无机材料的固有表面能高，从而导致了较高的粘附。PTFE等有机聚合物材料固有表面能低，粘附低，但是表面刚度小，变形能力强。碳材料相较于无机材料和高分子材料来说各项属性居中，所以显示出了较优异的性能，但是阻碍它性能进一步提升的仍然是面外变形和环境化学等因素。

研究思路

从材料选择图中可以看出无机有机杂化材料填补了传统上无机材料和有机材料之间的空白区，并且可将无机材料和有机材料的优势集于一身。因此对无机有机杂化材料的摩擦学研究具有重要意义。我们从中选择了长程有序的晶体材料（MOFs）作为研究对象。又由于MOFs结构单元丰富且可进行分子级调节，我们选择了几个代表性的MOFs结构在氮气气氛下进行了微观摩擦研究。

图1.材料选择图

主要贡献

无机有机杂化结构在摩擦学上的优势被证实，摩擦系数可低至5.3*10-4，且粘附力仅为HOPG的1/2。不同组成单元的MOFs性能差别较大，摩擦系数可实现1个数量级的调节。我们对MOFs表面的摩擦来源进行了DFT研究，结果表明，配位不稳定性导致MOFs表面的金属节点带有残余电荷，其进一步与探针的悬键作用，此种锚定效应是摩擦主要来源。不同组分的MOFs配位稳定性不同，我们通过晶体场理论预测的结果与实验和模拟结果完全一致，从而成功建立了构效关系。又由于晶体场理论可拓展到较宽范围，所以构效关系有预测能力。我们之后的研究证实了预测的可靠性。

图2 不同MOFs结构表面摩擦系数与粘附力

图3 MOFs表面摩擦来源与构效关系

潜在应用

（1）促进了无机有机杂化材料在摩擦学领域的应用；

（2）MOFs的构效关系为之后的研究提供了科学的理论指导。

该成果近期发表于《Nano Today》，题为“2D metal-organic frameworks with square grid structure: A promising new-generation superlubricating material”。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013221001870?dgcid=coauthor#fig0025。

转自：“清华大学摩擦学国家重点实验室”微信公众号