超润滑源自非公度接触效应，可使摩擦系数低至10-3量级及以下，其工程实现有望重新定义机械系统能量传输效率、精度、速度、寿命等性能边界，带来工业水平的变革性进步。自该概念提出近四十年来，超润滑已从微纳尺度逐步拓展至宏观尺度，但受限于工业机械实际工况大接触尺寸、重载受力与活性运行环境等多重耦合影响，在工程尺度超润滑一直未能实现。
近日，中国科学院兰州化学物理研究所兰州润滑材料与技术创新中心磨损与表面工程课题组提出了一种基于归一化接触理念的工程超润滑设计原理，建立了从“宏观接触-微纳界面-分子构型-原子晶格”跨尺度结构协同调控方法，并与武汉大学欧阳稳根教授团队合作，结合理论模拟和实验揭示了摩擦界面晶格匹配的动态微观演变与超滑机理，在工程级接触尺寸（毫米级）、极端高接触应力（12.7 GPa）及实际大气环境（40% RH）下获得了稳健的超润滑性能，对推动超润滑走向工程化具有重要意义。
超润滑工程尺度实现面临三大核心挑战，即大尺度接触面的随机无序性导致超润滑失控、高接触压力下界面形变导致超润滑失效、大气环境活性气氛引发界面摩擦化学反应导致超润滑失稳。针对上述挑战，研究团队从“宏观接触-微纳界面-分子构型-原子晶格”跨尺度结构进行逐级设计。首先，基于归一化接触思想，通过激光织构构建规则的接触阵列，将宏观面接触归一化为无数等同的微米级单元接触，使每个单元的接触状态（面积、形状、 受力等）保持一致，这样界面润滑材料在同一接触状态下结构变化也趋于一致，整体变得可控（图1）；其次，在每个接触单元表面构筑刚性非晶类金刚石碳（DLC）膜层/柔性晶体MoS2配副滑移元界面，刚柔结合有力削弱接触界面在极端高接触压力下的形变；进一步采用MXene作为增强与锚定剂，使晶体MoS2在极端高接触压力和大气环境下保持完整的层状结构，减少了缺陷与边缘的不利影响，赋予其抵抗水分子和氧气氧化能力，从而维持超润滑界面的稳定。最后，揭示了运动过程中原子晶格匹配的动态偏转微观机制（图2），即非公度态向公度态转化，发现了非晶DLC/晶体MoS2永久非公度接触特性，从根本上消除了晶格匹配所导致的原子互锁。
基于以上协同作用（图3），实现了在毫米级接触尺寸、12.7 GPa高接触应力及40% RH大气环境下稳健的超润滑性能（平均摩擦系数0.008，磨损寿命超过1×105次循环）。取得超润滑性能的工况条件已经达到甚至超过实际零部件运行工况的恶劣程度，突破了之前超润滑对接触尺寸、载荷和环境的耐受范围，为工程尺度超润滑设计提供了新思路，有助于推动超润滑技术在航空航天、先进制造及交通运输等领域的工程应用。
相关研究成果以“Engineering-Grade Macroscale Superlubricity Under Ultrahigh Contact Pressure in Atmospheric Air via Multiscale Synergistic Meta-Interfaces”为题发表在Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.202520241）上，兰州化物所王婉博士和武汉大学丁子峻博士为论文共同第一作者，兰州化物所吉利研究员、李畔畔助理研究员和武汉大学欧阳稳根教授为共同通讯作者。
该工作得到了中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项、国家自然科学基金、中央高校基础科研基金和甘肃省陇原青年人才等项目资助。
图1. 归一化接触超润滑设计及构筑
图2. 晶体/晶体和非晶/晶体摩擦界面晶格匹配动态演变机制
图3. 工程尺度超润滑性能及跨尺度结构协同作用机理