清華大學重要進展：從原子尺度解決滑動摩擦難題！

氫化非晶碳是一種奇妙的固體潤滑劑，幾乎可以抵消界面摩擦表面之間的摩擦力。然而，這種特殊的超潤滑現象對環境中的水、氧分子等含氧反應物極其敏感，微量的以上物質就會完全破壞潤滑性能。本文從原子尺度上解決了滑動界面的摩擦化學活性的難題，為在複雜的環境中實現超潤滑性狀態提供了可能性。

在氧或水分子存在的情況下，氫化非晶碳(a-C:H)膜超潤滑性態的不穩定性甚至消失的起源至今仍有爭議。近日，清華大學的研究者從原子尺度上解決了滑動界面的摩擦化學活性的難題。研究結果表明，氣態氧分子通過碳氫鍵摩擦效應的表面脫氫破壞了a-C:H的減摩能力。相關論文以題為「Atomic-scale insights into the interfacial instability of superlubricity in hydrogenated amorphous carbon films」於3月27日發表在Science Advances。

論文連結：

https://advances.sciencemag.org/content/6/13/eaay1272

氫化非晶碳(a-C:H)是一個奇妙的固體潤滑劑，幾乎可以抵消界面摩擦表面之間的摩擦力，甚至可從宏觀尺度上降低摩擦係數μ達到千分之一的水平(即，μ~0.001)。然而，這種特殊的超潤滑現象通常出現在乾燥的惰性氣體、氫氣氛圍或超高真空環境中。它對環境中的水、氧分子等含氧反應物極其敏感，微量的以上物質就會完全破壞a-C:H膜的潤滑性能。因此，在大氣環境中實現強健穩定的超潤滑性仍然是一個巨大的挑戰。

目前的研究重點是a-C:Hs在氧和水分子入侵下的表面和界面化學性質。一種可能的解釋是通過氣體吸附表面已被改性。眾多工作發現，雖然大多數氣體分子暴露於環境空氣後只是物理地吸附在a-C:Hs上，但當一小部分被吸附的分子發生解離並形成化學鍵時，烴類表面很容易被氧化。因此，在原位形成了一層天然的氧化層，這與磨合階段觀察到的高摩擦密切相關。此外，與氧分子相比，吸附的水層由於具有更大的偶極相互作用和相應更大的內聚能，使其成為更強的物理屏障。在高溼度條件下，較厚水層的存在會引起滑動面之間的粘滯阻力和毛細力。

另一個關鍵因素是這些含氧吸附劑沿滑動界面發生的摩擦化學反應。不僅a-C:H薄膜與摩擦耦合材料之間發生了強烈的化學相互作用，而且接觸表面與氣體種類之間也發生了強烈的化學相互作用。在這一過程中，摩擦誘導的結構轉變和材料轉移通常伴隨著在接觸區原位形成一個新構建的摩擦層，這是決定a-C:Hs膜潤滑行為的一個重要方面。

基於以上考慮，研究者使用掃描透射電鏡(STEM) 和電子能量損耗能譜法(EELS)所產生的原子分辨光譜表徵了受摩擦影響的接觸面，以了解原子是如何沿底部界面排列的，原子尺度結構和元素分布是如何影響a-C:H薄膜的摩擦性能的。首先，研究者設計了單獨的實驗，分別從外部和內部的角度闡明氧對烴潤滑基質的影響。然後，以a-C:H與裸鋼摩擦為例，探討了環境空氣中異常高摩擦的基本原理。

研究結果明確表明，摩擦表面和原位形成的摩擦層的原子活動在建立堅固的摩擦界面中起到決定性作用。相比較而言，氧摻入碳氫化合物基質中會形成一個低密度的表面剪切帶，因此摩擦狀態取決於氧的含量。a-C:H膜在潮溼環境下的高摩擦來自於高度氧化的摩擦層中形成的類瘤非均質結構。摩擦消失態取決於摩擦誘導的界面納米結構及其與氣體分子的物理化學相互作用。最後，通過對a-C:H的微觀結構進行摻雜處理，適當的矽摻雜可以形成類似於矽的摩擦層，有效地屏蔽了溼度效應，保持了穩定的超潤滑性。

圖1 a-C:Hs薄膜的結構、組成、力學性能和摩擦性能。

圖2 圖1 (G和H)摩擦試驗後a-C:Hs接觸區域的表面形貌和拉曼光譜

圖3 自配對a-C:H薄膜在乾燥的N2和O2氣體環境中的摩擦試驗後的界面微觀結構和表面化學(ACF-1，圖1G)。

圖4 自配a-C:H:O薄膜在乾燥N2氣體環境中摩擦試驗後的表面形貌和界面微觀結構(ACFO-1和ACFO-2，圖1G)。

圖5 溼空氣中，摩擦層在a-C:H膜上滑動後在裸鋼球表面形成的微觀結構(ACF-1，圖1H)。

圖6 在潮溼空氣中，防溼摩擦層在a-C:H:Si薄膜上滑動後在裸鋼球表面形成的微觀結構(ACF-6，圖1H)。

以上研究為在複雜的環境中實現超潤滑性狀態提供了可能性。這些發現也可以擴展為設計其他前所未有的界面材料的新的理論知識邊緣，這些材料具有之前未發現的納米結構和定製性能。（文：水生）

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