摩擦和磨損是影響機械系統效率和壽命的關鍵因素。傳統潤滑油添加劑，如二烷基二硫代磷酸鋅（zddp），儘管在減少磨損方面表現出色，但其含有的硫和磷元素會對環境造成污染，並造成汽車尾氣催化轉換器的毒化。因此，開發低磷、低硫，甚至無磷、無硫的添加劑成為新型綠色潤滑材料的發展趨勢。儘管現有研究中常採用石墨烯、碳納米管、氮化硼等納米材料作為潤滑油添加劑，但是其在液體潤滑油中嘗嘗面臨易團聚、難分散等問題，難以工業化應用。一個可行的方案是在摩擦界面原位生成類石墨結構，從而減小摩擦和磨損。
近期，nature communications報道了清華大學高端裝備界面科學與技術全國重點實驗室雒建斌院士團隊李津津副教授在基於前期研究基礎，開發了一系列二酯類添加劑，並取得了優異的抗磨減摩效果。其中最為典型的蘋果酸二辛酯（dom），其作為超低粘度基礎油聚α烯烴（pao2）的添加劑時，可以將摩擦係數降低50%， 磨損體積減小80%，具有比工業添加劑zddp更低的摩擦係數和相近的磨損，且該類添加劑在2.78gpa的極高接觸壓力下也可以維持穩定的抗磨減摩效果。通過對摩擦後磨痕的分析，發現該類添加劑可以在磨痕上生成一層被光學顯微鏡觀察到的摩擦膜（tribofilm），且該摩擦膜在磨痕表面的面積覆蓋率與跑合期間摩擦係數的降低趨勢剛好吻合（圖1h），從而驗證了該摩擦膜優異的減摩效果。
圖 1 不同添加劑在聚α烯烴 (pao) 中的摩擦學性能對比。
作者進一步通過納米力學分析、表面化學分析等進一步解釋了該摩擦膜在微納尺度上具有更低的楊氏模量（圖2b,c）、粘附（圖2e）、剪切（圖2d），從而可以實現宏觀尺度的低摩擦、低磨損特性。該類摩擦膜的厚度約為30nm，其主要成分由類石墨碳材料構成（圖2f, h）。
圖 2蘋果酸二辛酯 (dom) 形成的磨痕的納米力學與表面化學分析
作者進一步深入探究了摩擦過程中添加劑分子結構和摩擦副材料的影響。發現當二酯中羧酸部分長度增加到6個碳鏈長度時（圖3，doa， dos），就無法生成類石墨結構，只能造成磨痕表面的氧化，生成氧化鐵類化合物。但是當增加二酯分子結構中的醇的碳鏈長度時（圖3，dosn），依然可以生成類石墨結構。此處，作者推測由二酯類化合物生成類石墨結構的摩擦化學反應是一個類似於自由基聚合的過程，其中第一步自由基的引發因為需要額外能量的輸入，因此成為整個反應的決速步驟。當二酯類分子中羧酸部分的碳鏈長度小於等於4時，c-c鍵斷裂後，形成的自由基可以被兩端酯鍵中氧原子上的孤電子對所穩定（圖3j，dot），因此顯現出更低的c-c鍵解離能。這種更低的解離能有助於引發摩擦化學反應，從而生成類石墨結構。但是當二酯中羧酸部分的碳鏈長度達到6時（圖3j，dos），形成的自由基由於距離另一側酯鍵的距離較遠，無法被穩定，因此需要更高的解離能，無法快速有效的生成類石墨結構。
圖3二酯類添加劑的分子結構對摩擦學性能及磨痕表面產物的影響分析
作者也發現這種二酯類添加劑只能在金屬鐵表面才可以生成類石墨結構，從而減小摩擦和磨損，而在玻璃、藍寶石等材料表面卻不可以生成（圖4）。此處，作者推測是因為金屬材料表面的催化活性所導致的。但這裡作者提出當摩擦膜的厚度生長到5nm後，就阻礙了金屬基底與有機分子的傳質作用，導致金屬基底無法催化生長摩擦膜到30nm的厚度(圖4a)。但作者另外發現，軸承鋼摩擦副在摩擦過程中可以產生鐵單原子，從而嵌入在類石墨摩擦膜結構中，實現金屬催化劑與有機小分子的持續傳質作用(圖4b)，從而催化生長至30nm納米厚度的類石墨摩擦膜。有趣的是，塊體金屬材料通過摩擦作用產生單原子的現象，在機械化學領域也得到驗證與關注（abrading bulk metal into single atoms. nat. nano-technol.17,403–407 (2022)）。
圖 4蘋果酸二辛酯 (dom) 在不同材料表面的摩擦學性能對比以及表面傳質機理示意圖。
為進一步驗證機理，作者通過反應分子動力學模擬了該類分子在金屬鐵和二氧化硅（玻璃主要成分）的路徑過程，發現其只能在金屬鐵表面才可以發生脫氫、重整成碳環的現象，進一步驗證了金屬催化的效應。
圖5蘋果酸二辛酯 (dom) 分子在fe表面的結構演變示意圖。
該工作有力揭示了摩擦界面過程中潤滑劑分子結構以及固體摩擦副對類石墨結構生成的影響，有助於為設計新型綠色潤滑材料提供借鑒思路。
該工作第一作者為博士後宋偉，通訊作者為清華大學李津津副教授、天津工業大學張偉偉研究員。清華大學博士生馬曉陽、歐陽楚可，博士後孫守義等，帝國理工學院janet wong，曾崇陽等做此工作出重要貢獻。該工作得到國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃、中國博士後科學基金的支持。
作者簡介：
李津津，機械工程系長聘副教授，博士生導師。主要從事機械潤滑理論、超滑技術研究工作。主持了jkw基礎加強計劃項目課題、科技部重點研發計劃課題、國家自然科學基金等項目10餘項。以第一和通訊作者身份在nature communications、matter、advanced functional materials, acs nano等高水平期刊上發表sci學術論文100餘篇，他引4000餘次, h因子47，申請授權國家發明專利20餘項。擔任friction、lubricants等期刊的編委，受邀在國內外學術會議上做邀請報告17次。2021年入選了國家級青年人才計劃，2018年入選了中國科協青年托舉人才工程，並獲清華大學學術新人獎和“溫詩鑄楓葉獎－優秀青年學者獎”，曾獲自然科學基金委優秀結題項目和上銀優秀機械博士論文獎等獎勵。
