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 摩擦磨損是造成機械部件能量損失和失效的重要原因。近年來，大量的研究表明，超滑（superlubricity）是克服因摩擦磨損導致能量損耗和損失的良好途徑。近日，新加坡南洋理工大學Zhou Kun教授團隊在國際知名期刊Advanced Functional Materials上發表了題為“Nanomaterials in Superlubricity”的綜述文章。文章系統闡釋納米材料在實現超滑狀態的最新進展，介紹了功能納米材料在調控超滑中的作用與其廣闊的應用前景（圖1）；總結不同空間結構納米材料的實驗和仿真研究，探討了不同維度納米結構尺寸效應對固體和液體超滑性能的影響。

圖1.超滑為諸多現代科技發展面臨的摩擦/潤滑挑戰提供了解決方案，涉及生物醫學工程、水運輸、原子力顯微技術、微/納機電系統、風能應用以及航空航天領域。

1. 零維納米材料

0D納米材料的制備技術、形貌調控和尺寸效應已被廣泛研究，并已應用于微/納機電系統，如何減少粘著、摩擦和磨損是這些應用的一個關鍵問題。

在DLC薄膜表面添加含有納米金剛石顆粒的石墨烯納米片，可在宏觀尺度上獲得了穩定的超滑狀態。這種宏觀超滑特性源于滑動過程中形成的零維納米卷結構，降低了滑動過程中的摩擦接觸面積并促進DLC薄膜與納米卷的非公度態接觸。這種納米結構由石墨烯納米卷與其包裹的納米金剛石組成（如圖2a和b所示）。此外，在干摩擦滑動條件下，納米金剛石對石墨烯納卷的形成起關鍵作用，大量納米卷的形成最終導致了穩定的超滑性能（摩擦系數~0.005，圖2c）。

圖2.（a）分子動力學模擬石墨烯納米卷的形成過程；（b）磨屑顆粒的透射電鏡結果證實石墨烯納米卷的形成；（c）穩定的超滑狀態，摩擦系數約為0.005。（圖片來源于Science 2015, 348, 1118）

此外，通過向聚α-烯烴潤滑油添加氮化硼納米顆粒能夠顯著提高其邊界潤滑性能。納米顆粒在Si3N4/DLC接觸界面承擔納米滾動軸承作用，同時添加劑的弱結合力降低了界面相互作用，進而改善界面的潤滑性能。結果表明，添加1.0 wt%的氮化硼納米顆粒可獲得超滑特性。

2. 一維納米材料

碳納米管（CNTs），其超滑性能得益于其固有的結構特征，使同心納米管沿同心軸做相對運動。同時，結構中缺陷、尺寸效應等對CNTs超滑特性具有顯著影響。以厘米級CNTs為代表，一維納米材料在宏觀超滑方面取得重大進展。

圖3.（a）對厘米級CNTs進行內殼拉出的示意圖;（b-e）拉出至不同位置的TEM觀察結果，比例尺為5nm。（圖片來源于Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 912）

圖4. （a）拉出過程中不同外徑的CNTs層間摩擦力（插圖為CNTs摩擦力與表面能的理論值）；（b）拉出過程CNTs的耗散能；（c）拉出過程CNTs內外層界面的范德華力示意圖（圖片來源于Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 912）

3. 二維納米材料

近年來，包括過渡金屬硫化物和石墨烯在內的二維材料因其在超滑特性方面表現出巨大的潛力而受到學者的關注。一般來說，要在二維納米材料中獲得穩定的超滑特性，重點是實現持續的非公度態接觸。

圖5.（a）石墨烯納米片在石墨烯基底上的超滑示意圖；（b）初始條件下，視域中存在三個石墨烯納米片；（c）掃描隧道顯微鏡進行連續掃描后，出現第四個納米片（d）并向左移動；（e）納米片旋轉至60°的位置停止。（圖片來源于Nanoscale 2013, 5, 6736）

4. 三維納米材料

三維納米材料在高載荷工況下的超滑特性具有巨大潛力。通過磁控濺射和流等離子體化學氣相沉積技術制備出厚度約243nm的層狀非晶碳/MoS2涂層，在10N的載荷下表現出極低的摩擦系數（0.004）和良好的耐磨性。

圖6.（a）具有分層結構的非晶碳/MoS2涂層，厚度約243nm；（b）涂層在10 N載荷條件下的摩擦系數約為0.004（插圖為試驗裝配示意圖）；（c）磨損表面的橫截面輪廓（插圖為對應的三維形貌）。（圖片來源于Appl. Surf. Sci. 2017, 413, 381）

納米材料在超滑領域取得了顯著進展，同時也帶來新的機遇和挑戰。文章建議了若干重點研究方向，包括：晶體形變生成缺陷易引發公度態接觸，最終導致超滑失效問題；非晶態納米材料具有更高的剛度以及獨特的變形機制，研究非晶態納米材料的超滑行為能夠提供更多實現超滑的途徑；在液體潤滑條件下，通過平衡實際表面粗糙度與流體粘度來調控液相超滑成為工業級超滑應用的主要技術難點。文章最后總結，納米材料在超滑設計和實際應用中具有巨大的潛力，其超滑特性已成為先進功能納米材料在節能應用中最具有前景的性能之一。