摩擦作為一種基本物理現(xiàn)象，極大地影響著人類生產生活。潤滑材料是減小摩擦的重要途徑，其中分子水平結構調控是潤滑材料設計的核心。在宏觀世界，車輪、軸承的發(fā)明使得滾動代替滑動，大幅降低了摩擦（約100倍）；在微觀世界，如果能調控潤滑材料分子構型，實現(xiàn)車輪一樣的分子滾動潤滑，將為控制摩擦現(xiàn)象帶來新的原理和突破。該設想被摩擦學學者提出數(shù)十年，但仍無法被實驗證實。而超低溫是一種極端環(huán)境，電子、原子等微觀粒子運動被極大抑制，蘊含了許多未知的摩擦學效應，成為制約深空探測、超導等現(xiàn)代先進裝備可靠潤滑的難題；同時超低溫可消除常溫條件下的熱噪音背景，為研究摩擦現(xiàn)象提供了理想的途徑。

近期，中國科學院蘭州化學物理研究所蘭州潤滑材料與技術創(chuàng)新中心磨損與表面工程課題組和潤滑材料重點實驗室計算摩擦學課題組合作在超低溫下石墨摩擦界面演變與分子滾動潤滑機理研究方面取得重要進展。研究團隊發(fā)現(xiàn)了超低溫下石墨納米片自卷曲與分子滾動潤滑的現(xiàn)象，揭示了分子滾動潤滑的界面電子作用機理，為從分子尺度認識與控制摩擦現(xiàn)象提供了新的認知和設計原理。

研究團隊發(fā)現(xiàn)石墨納米片在100K以下靜態(tài)低溫條件下會發(fā)生邊緣自卷翹的奇特現(xiàn)象；利用這一效應，在摩擦過程中剪切力可進一步驅動其在摩擦界面上原位形成納米卷軸結構，掃描電鏡圖像顯示這些納米卷軸呈現(xiàn)平行排列，且與滑動方向垂直，證明其發(fā)生了分子滾動潤滑。同時石墨表現(xiàn)出反常的宏觀真空潤滑特性，在50K真空條件下，潤滑狀態(tài)變得平穩(wěn)而長效，摩擦系數(shù)約0.06，磨損率僅為300　K時的1／50。通過密度泛函理論模擬計算，進一步揭示了分子滾動過程界面電荷能量耗散減弱的機制。該研究為解決傳統(tǒng)石墨類材料真空潤滑性能差和超低溫潤滑領域難題提供了全新解決思路和方案。

圖1．分子滾動潤滑的實驗證據(jù)和摩擦學性能

圖2．分子滾動潤滑作用機制

結合實驗和理論模擬系統(tǒng)，研究團隊研究了石墨納米片邊緣自卷翹形變的影響因素、結構演變和形成機理。結果表明，超低溫環(huán)境下，非平衡溫度場導致了原子的不均勻收縮，石墨片上下表面產生了方向相反的應力，驅動了石墨片邊緣的自卷翹；同時發(fā)現(xiàn)熱振動對原子間應力傳遞的耗散作用，當溫度低于100K時，原子熱振動顯著減弱，原子間應力傳遞耗散被抑制，促進了石墨納米片自卷翹形變的發(fā)生。該研究將為認識微觀粒子受力傳遞規(guī)律和納米形變機理提供新的理解，同時發(fā)現(xiàn)了一種利用溫度操控自卷曲納米形變行為的新方法，在潤滑、傳感等眾多領域具有廣泛應用價值。

圖3．石墨分子卷軸形成過程結構演變與機理

圖4．原子振動對應力傳遞與納米形變的影響作用

相關研究成果以“Acquisition　of　molecular　rolling　lubrication　by　self－curling　of　graphite　nanosheet　at　cryogenic　temperature”　為題發(fā)表在Nature　Communications（2024，　5，　5747；　https：／／doi．org／10.1038／s41467－024－49994－4）上。蘭州化物所博士后李畔畔和項目副研究員何文豪為論文共同第一作者，吉利研究員、魯志斌研究員、李紅軒研究員和陳建敏研究員為共同通訊作者。

該工作得到了中國科學院基礎與交叉前沿科研先導專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員、中國科學院西部之光西部交叉團隊項目、國家博后計劃、蘭州化物所一三五項目和隴原青年英才計劃等的支持。