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机械工程学会摩擦学分会 润滑材料全国重点实验室 摩擦学学报
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研究进展

兰州化物所发表磁性MOF基复合材料吸附污染物综述文章 2026-04-02 随着全球经济发展与人口快速增长，环境受到显著冲击。持久性有机污染物、残留农药、真菌毒素、内分泌干扰物、抗生素、重金属离子及微塑料等多种污染物导致严重环境污染。有害污染物多具致畸、致癌、致突变性，可通过食物链富集进入人体对发育、代谢及生育能力产生负面影响。为此，全球环境与食品监管机构制定了一系列污染物限量法规。然而，由于环境和食品样品基质复杂且目标物含量浓度较低，直接采用分析仪器进行定性定量检测存在困难，因此需对复杂样品进行预处理。 中国科学院兰州化学物理研究所天然药物与化学测量研究中心色谱材料与分离测量课题组长期聚焦西部资源能源复杂体系分离分析领域的新材料研发与新方法学构建，研发出多种功能化有机框架复合材料，应用于环境和食品中各类污染物的萃取富集与吸附去除研究（Analytica Chimica Acta, 2024, 1287: 342112；Microchimica Acta, 2024, 191(2): 90；Environmental Research, 2025, 264: 120319; ACS Applied Polymer Materials, 2025,7,5737-5746; Separation and Purification Technology, 2026, 394, 137454.），为环境监测与食品安全评估提供了重要的技术支撑。基于在磁性MOF基吸附材料研究中的积累，发表了关于磁性MOF基复合材料吸附污染物的研究进展的综述文章。 磁性固相萃取技术（MSPE）因其操作简便、环保、高效、易于操作且吸附剂回收便捷，被广泛应用于复杂环境和食品基质中痕量污染物的预处理。该技术的核心是开发兼具卓越吸附能力和优异磁响应的高性能磁性吸附剂。近年来，基于MOFs优异的理化性质，已开发出一系列MOF基磁性吸附剂（MMOFs），用于吸附和萃取环境及食品中的新兴污染物。该综述系统总结了MMOFs的制备方法及其在复杂基质中萃取吸附污染物的应用，并概述了未来的发展方向。旨在为设计新型MMOFs提供理论基础和参考，并通过全面分析证实MOFs在样品前处理应用中的巨大潜力。 图1.MMOFs的制备策略及吸附污染物类型 该综述以MSPE为重点，系统总结了MMOFs的制备策略。MOFs作为功能单体，可提供丰富的吸附位点、较大的比表面积及多样的分子间相互作用。但随着污染物日益多样化和对高效吸附的需求提升，对MMOFs的制备与应用提出更高要求。其工业应用面临批量生产可行性与材料长期稳定性两大挑战，合成工艺复杂制约低成本绿色制造，稳定性不足导致循环性能不佳，使得多数高性能MMOFs难以实现从研究到实际工业生产及应用的转化。 MMOFs的未来发展将围绕高效率、高精度、环境可持续性和智能化这四大核心目标展开。研究应侧重于开发简化的绿色合成工艺，并设计具有高固有稳定性及强健界面的MMOFs。同时需兼顾吸附性能、磁分离效率与经济可行性间的平衡。总体而言，MMOFs的创新依赖于材料科学、分析化学与工程技术的深度融合，推动痕量分析向更高效、精准与智能的方向发展。 相关工作以“Synthesis of magnetic adsorbents incorporating metal-organic framework materials and their applications in environmental and food sample preparation: A review ”为题发表在Trends in Analytical Chemistry上。李翔博士后为该论文第一作者，郭勇研究员和梁晓静研究员为通讯作者。 上述工作得到了中央引导地方资金发展项目，中国科学院A类先导专项，国家科技重大专项和甘肃省基础研究创新群体项目的支持。 兰州化物所发表磁性MOF基复合材料吸附污染物综述文章 来源：天然药物与化学测量研究中心;;|;;发布时间：2026-04-02;;|;;【;大;;中;;小;】 来源：天然药物与化学测量研究中心;;|;;发布时间：2026-04-02;;|;;【;大;;中;;小;】;;|;;【打印】;【关闭】 随着全球经济发展与人口快速增长，环境受到显著冲击。持久性有机污染物、残留农药、真菌毒素、内分泌干扰物、抗生素、重金属离子及微塑料等多种污染物导致严重环境污染。有害污染物多具致畸、致癌、致突变性，可通过食物链富集进入人体对发育、代谢及生育能力产生负面影响。为此，全球环境与食品监管机构制定了一系列污染物限量法规。然而，由于环境和食品样品基质复杂且目标物含量浓度较低，直接采用分析仪器进行定性定量检测存在困难，因此需对复杂样品进行预处理。 中国科学院兰州化学物理研究所天然药物与化学测量研究中心色谱材料与分离测量课题组长期聚焦西部资源能源复杂体系分离分析领域的新材料研发与新方法学构建，研发出多种功能化有机框架复合材料，应用于环境和食品中各类污染物的萃取富集与吸附去除研究（Analytica Chimica Acta, 2024, 1287: 342112；Microchimica Acta, 2024, 191(2): 90；Environmental Research, 2025, 264: 120319; ACS Applied Polymer Materials, 2025,7,5737-5746; Separation and Purification Technology, 2026, 394, 137454.），为环境监测与食品安全评估提供了重要的技术支撑。基于在磁性MOF基吸附材料研究中的积累，发表了关于磁性MOF基复合材料吸附污染物的研究进展的综述文章。 磁性固相萃取技术（MSPE）因其操作简便、环保、高效、易于操作且吸附剂回收便捷，被广泛应用于复杂环境和食品基质中痕量污染物的预处理。该技术的核心是开发兼具卓越吸附能力和优异磁响应的高性能磁性吸附剂。近年来，基于MOFs优异的理化性质，已开发出一系列MOF基磁性吸附剂（MMOFs），用于吸附和萃取环境及食品中的新兴污染物。该综述系统总结了MMOFs的制备方法及其在复杂基质中萃取吸附污染物的应用，并概述了未来的发展方向。旨在为设计新型MMOFs提供理论基础和参考，并通过全面分析证实MOFs在样品前处理应用中的巨大潜力。 图1.MMOFs的制备策略及吸附污染物类型 该综述以MSPE为重点，系统总结了MMOFs的制备策略。MOFs作为功能单体，可提供丰富的吸附位点、较大的比表面积及多样的分子间相互作用。但随着污染物日益多样化和对高效吸附的需求提升，对MMOFs的制备与应用提出更高要求。其工业应用面临批量生产可行性与材料长期稳定性两大挑战，合成工艺复杂制约低成本绿色制造，稳定性不足导致循环性能不佳，使得多数高性能MMOFs难以实现从研究到实际工业生产及应用的转化。 MMOFs的未来发展将围绕高效率、高精度、环境可持续性和智能化这四大核心目标展开。研究应侧重于开发简化的绿色合成工艺，并设计具有高固有稳定性及强健界面的MMOFs。同时需兼顾吸附性能、磁分离效率与经济可行性间的平衡。总体而言，MMOFs的创新依赖于材料科学、分析化学与工程技术的深度融合，推动痕量分析向更高效、精准与智能的方向发展。 相关工作以“Synthesis of magnetic adsorbents incorporating metal-organic framework materials and their applications in environmental and food sample preparation: A review ”为题发表在Trends in Analytical Chemistry上。李翔博士后为该论文第一作者，郭勇研究员和梁晓静研究员为通讯作者。 上述工作得到了中央引导地方资金发展项目，中国科学院A类先导专项，国家科技重大专项和甘肃省基础研究创新群体项目的支持。
兰州化物所工程尺度超润滑研究获新进展 2026-04-01 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 兰州化物所工程尺度超润滑研究获新进展 来源：兰州润滑材料与技术创新中心;;|;;发布时间：2026-04-01;;|;;【;大;;中;;小;】 来源：兰州润滑材料与技术创新中心;;|;;发布时间：2026-04-01;;|;;【;大;;中;;小;】;;|;;【打印】;【关闭】 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
兰州化物所聚合物-金属互穿相复合材料功能化设计研究获系列进展 2026-02-03 在聚合物复合润滑材料领域，现有方法主要采用零维、一维或二维功能填料复合改性，功能填料含量较低往往不足以形成连续相。聚合物仍然是复合材料内唯一的连续相，导致其力学强度、导热性能和耐磨性能在很大程度上受制于聚合物基体。 中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室聚合物摩擦学课题组，以三维连续金属骨架为增强相，以研制聚四氟乙烯树脂细粉或乳液为基体，采用液相浸渍、热烧结制备泡沫金属-聚四氟乙烯互穿相复合材料，通过结构参数调控、基体改性、界面构筑和基体/界面协同改性方法，拓展了泡沫金属-聚四氟乙烯互穿相复合材料在润滑领域的功能化应用。 研究人员研究了金属骨架材料、孔隙率和面密度对连续相复合材料性能的影响规律，结果表明，泡沫镍与聚四氟乙烯具有最优的亲和性，表现为良好的界面结合与高填充率。随孔隙率降低、面密度增加，泡沫金属-聚四氟乙烯互穿相复合材料力学强度、摩擦磨损性能、导热性能均随之升高。特别是，以2%体积分数、孔隙率80%泡沫镍增强聚四氟乙烯复合材料时，拉伸强度超过50 MPa，导热系数达15.26 W/(m·K)，磨损率下降98.7%，解决了传统聚四氟乙烯复合材料增强效果受制于基体的瓶颈问题。相关研究结果发表在 Friction（2025, 13(5): 9440948）和Tribology International（2025: 111346）上。 图1. 泡沫镍-聚四氟乙烯互穿相复合材料孔隙率分析 图2. 泡沫镍-聚四氟乙烯互穿相复合材料磨损机制及性能 研究人员还研究了无机填料引入对泡沫镍-聚四氟乙烯互穿相复合材料性能的增强机制，结果表明，碳纳米管在三维微米泡沫镍表面形成纳米网状结构，促进了界面应力传递与热量耗散，显著提升了力学强度与导热性能。得益于泡沫镍与碳纳米管形成的三维微/纳网络，复合材料输出电流提高至1.5μA，是纯聚四氟乙烯的30倍。摩擦起电响应长效稳定，与不同摩擦副具有普适性，展示了互穿相复合材料具备优异导电特性，可作为高效能量收集的摩擦电材料。相关研究结果发表在Small（2025, 21(5):2409607）上。 图3. 微纳复合网络增强泡沫镍-聚四氟乙烯复合材料设计 针对泡沫金属与聚四氟乙烯异质界面结合弱的问题，研究人员采用氟硅烷偶联剂对泡沫镍三维连续界面进行液相氟化改性，同时在基体中引入少量氟化石墨。结果表明，界面-基体“双氟化”的设计有效增强了泡沫镍与聚四氟乙烯之间的界面结合，从而抑制外力拉伸时的变形与裂纹扩展；少量氟化石墨的引入增强了PTFE连续相的硬度、模量，使得双连续相复合材料的导热系数提升至1.3 W/(m·K)。得益于由聚四氟乙烯、镍磨屑与氟化石墨在金属配副表面形成的复合摩擦转移膜，进一步改善了复合物的摩擦学性能，磨损率下降90.7%。相关研究结果发表在Composites Part B: Engineering（2025: 112816）上。 图4. 界面-基体“双氟化”增强泡沫镍-聚四氟乙烯复合材料设计 苏瑜洁博士生为论文第一作者，刘昊副研究员、于强亮研究员、王建章研究员为共同通讯作者。 上述研究工作得到了国家重点研发计划项目的支持。 兰州化物所聚合物-金属互穿相复合材料功能化设计研究获系列进展 来源：润滑材料全国重点实验室;;|;;发布时间：2026-02-03;;|;;【;大;;中;;小;】 来源：润滑材料全国重点实验室;;|;;发布时间：2026-02-03;;|;;【;大;;中;;小;】;;|;;【打印】;【关闭】 在聚合物复合润滑材料领域，现有方法主要采用零维、一维或二维功能填料复合改性，功能填料含量较低往往不足以形成连续相。聚合物仍然是复合材料内唯一的连续相，导致其力学强度、导热性能和耐磨性能在很大程度上受制于聚合物基体。 中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室聚合物摩擦学课题组，以三维连续金属骨架为增强相，以研制聚四氟乙烯树脂细粉或乳液为基体，采用液相浸渍、热烧结制备泡沫金属-聚四氟乙烯互穿相复合材料，通过结构参数调控、基体改性、界面构筑和基体/界面协同改性方法，拓展了泡沫金属-聚四氟乙烯互穿相复合材料在润滑领域的功能化应用。 研究人员研究了金属骨架材料、孔隙率和面密度对连续相复合材料性能的影响规律，结果表明，泡沫镍与聚四氟乙烯具有最优的亲和性，表现为良好的界面结合与高填充率。随孔隙率降低、面密度增加，泡沫金属-聚四氟乙烯互穿相复合材料力学强度、摩擦磨损性能、导热性能均随之升高。特别是，以2%体积分数、孔隙率80%泡沫镍增强聚四氟乙烯复合材料时，拉伸强度超过50 MPa，导热系数达15.26 W/(m·K)，磨损率下降98.7%，解决了传统聚四氟乙烯复合材料增强效果受制于基体的瓶颈问题。相关研究结果发表在 Friction（2025, 13(5): 9440948）和Tribology International（2025: 111346）上。 图1. 泡沫镍-聚四氟乙烯互穿相复合材料孔隙率分析 图2. 泡沫镍-聚四氟乙烯互穿相复合材料磨损机制及性能 研究人员还研究了无机填料引入对泡沫镍-聚四氟乙烯互穿相复合材料性能的增强机制，结果表明，碳纳米管在三维微米泡沫镍表面形成纳米网状结构，促进了界面应力传递与热量耗散，显著提升了力学强度与导热性能。得益于泡沫镍与碳纳米管形成的三维微/纳网络，复合材料输出电流提高至1.5μA，是纯聚四氟乙烯的30倍。摩擦起电响应长效稳定，与不同摩擦副具有普适性，展示了互穿相复合材料具备优异导电特性，可作为高效能量收集的摩擦电材料。相关研究结果发表在Small（2025, 21(5):2409607）上。 图3. 微纳复合网络增强泡沫镍-聚四氟乙烯复合材料设计 针对泡沫金属与聚四氟乙烯异质界面结合弱的问题，研究人员采用氟硅烷偶联剂对泡沫镍三维连续界面进行液相氟化改性，同时在基体中引入少量氟化石墨。结果表明，界面-基体“双氟化”的设计有效增强了泡沫镍与聚四氟乙烯之间的界面结合，从而抑制外力拉伸时的变形与裂纹扩展；少量氟化石墨的引入增强了PTFE连续相的硬度、模量，使得双连续相复合材料的导热系数提升至1.3 W/(m·K)。得益于由聚四氟乙烯、镍磨屑与氟化石墨在金属配副表面形成的复合摩擦转移膜，进一步改善了复合物的摩擦学性能，磨损率下降90.7%。相关研究结果发表在Composites Part B: Engineering（2025: 112816）上。 图4. 界面-基体“双氟化”增强泡沫镍-聚四氟乙烯复合材料设计 苏瑜洁博士生为论文第一作者，刘昊副研究员、于强亮研究员、王建章研究员为共同通讯作者。 上述研究工作得到了国家重点研发计划项目的支持。
分子动力学模拟揭示化学机械抛光及CMP后清洗原子尺度核心问题：简明综述 2026-01-07 第一作者与单位Lifei Zhang，清华大学机械工程系/摩擦学国家重点实验室，北京 100084通讯作者与单位Xinchun Lu，清华大学机械工程系/摩擦学国家战略实验室，北京 100084文章链接https://doi.org/10.26599/FRICT.2025.9441197综述亮点首次将“经典MD-ReaxFF-TB-QC MD-AIMD”四级分子动力学框架系统用于CMP及后清洗，实现从百万原子机械去除到<100 原子量子键断裂的全链条原子可视化；给出“应力-键级-电荷转移”三元定量映射，为3 nm 节点“零缺陷、零残留”工艺窗口提供可计算判据。综述背景随着3 nm 节点逼近，CMP 需同时满足原子级平坦（<0.2 nm RMS）与近零污染（粒子≤1 × 10⁹ cm⁻²）。传统Preston 方程仅宏观唯象，无法回答“Si–O–Si 桥键何时断裂”“Cu–O 插入势垒几何”等原子问题。MD 被寄望成为“计算显微镜”，但单一方法在尺度-精度-化学三轴上失衡，亟需“多阶MD 工具链”贯通。核心思路构建四级MD 梯次：① Classical MD（>10⁶ 原子，μs）——磨粒滑动/滚动/嵌入力学；② ReaxFF MD（10³–10⁵ 原子，ns）——键断裂-形成实时追踪；③ TB-QC MD（10²–10⁴ 原子，ps-ns）——电荷转移与能垒；④ AIMD（<10³ 原子，<100 ps）——量子化学精确路径。以“Si-Cu-Ni-P-石英-钻石”六大体系为标杆，覆盖介电、金属、合金、硬脆材料；同步实验AFM/Raman/TOF-SIMS 验证。建立“应力→键级→电荷转移→去除/残留”定量链，输出工艺阈值（压力≤x GPa、氧化剂≤y wt %、清洗pH≈z）。主要结论1、经典MD 首次给出“滚动-滑动”相图：当e/h < 0.42 且μ < 0.25 时，磨粒由滚动转为滑动，MRR 提升3倍，表面粗糙度下降30 %。2、ReaxFF 发现“双桥键断裂”普适机制：Si(100)-H₂O₂-SiO₂ 界面先形成Si–O–Si 桥键，再于拉伸应变ε = 0.18 处断裂，Eact 由5.1 eV 降至4.0 eV，与实验MRR 增强倍数定量吻合。3、TB-QC MD 揭示Cu(111)“力学触发-氧插入”为决速步：剪切应力使吸附O 插入亚表面势垒28 kcal mol⁻¹，电子转移0.32 e，决定MRR 对压力呈线性增长。4、AIMD 给出Ni-P 合金“化学牙齿”模型：SiO₂ 磨粒优先吸附孤立Ni 原子，Si–O–Ni 键能−13.3 eV，比Al₂O₃ 高6倍，据此优选出SiO₂ 磨粒，实验粗糙度降至0.08 nm。5、后清洗段：ReaxFF+实验证实，30 % RH 水膜可使SiO₂ 粒子再沉积率下降80 %；CeO₂(111) 面因六方吸附位形成五配位Si，清洗效率比(100) 面高2.3×。6、建立BEP 线性普适律：Eact = 0.54Erxn + 3.82 (R² = 0.99)，适用于Si-O、Cu-O、C-O 等体系，实现“反应热→活化能”秒算，为浆料高通量筛选提供接口。结语本文首次用“四级MD工具箱”贯通CMP全原子过程，给出“应力-键级-电荷”定量映射，为半导体原子级制造提供“算得准、用得上的”理论操作系统。将宏观MRR、微观应力与量子键断裂无缝串联，为3 nm 及以下节点“原子级平坦+零残留”提供可计算、可预测、可扩展的通用平台；BEP 律与“应力-键级-电荷”映射已嵌入商用浆料设计软件，实现由“试错”走向“算赢”。
西南交通大学周仲荣/郑靖/王胡军团队：操控并利用磨屑助力粗糙钢表面实现低磨损宏观超滑 2025-12-18 第一作者和单位王胡军，西南交通大学机械工程学院通讯作者和单位郑靖，西南交通大学机械工程学院张志辉，吉林大学工程仿生教育部重点实验室周仲荣，西南交通大学机械工程学院文章链接https://doi.org/10.1002/adfm.202521914研究亮点1、在粗糙度Ra≈57 nm的钢表面实现了宏观液体超滑。2、阐明了磨屑促进高粗糙度工程钢实现低磨损超滑的作用机制。3、通过表面织构操控磨屑转化成的摩擦膜与羟基化碳纳米管的协同作用实现了低磨损超滑，在一定程度上解决了表面织构容易劣化液体超滑性能的难题。研究背景宏观液体超滑对节能减排具有深远意义。其中，水基超滑在环保方面具有显著优势，符合地球可持续发展的需求。然而，现有的大多数超滑系统仅适用于超光滑和高硬度材料（蓝宝石、Si3N4、玻璃等）。在大气条件下，在粗糙工程钢表面实现低磨损水基超润滑仍然很困难，这主要归因于粗糙峰高接触应力导致润滑吸附层的剪切破坏。有趣的是，钢摩擦副的磨屑含有由摩擦化学反应产生的抗磨金属氧化物（如Fe2O3和Cr2O3）。如果可以操纵磨屑中的这些抗磨成分来修复磨损表面并降低表面粗糙度，有望促进低磨损超滑的实现。值得注意的是，与外源性纳米添加剂相比，内源性磨屑由于其与基材的成分相似，可能对磨损表面表现出更优的修复能力。然而，由于磨屑积聚很容易导致摩擦系数不稳定和磨损加剧，如何在不增大摩擦系数的条件下操纵磨屑转化成摩擦膜以抵抗磨损仍然具有挑战性。研究思路为了利用钢摩擦副磨屑中的抗磨成分，本研究设计一种集成表面织构与自清洁涂层的耦合表面。首先利用表面织构捕获并暂时储存过量磨屑，然后通过织构中沉积的自清洁涂层将部分磨屑转移到滑动接触界面，在机械-化学作用下修复磨损表面并降低粗糙度，形成保护性氧化膜以抵抗进一步的磨损。在水基润滑条件下，氧化膜中金属氢氧化物的含量因摩擦化学反应而增加，促进氢键网络的增强和润滑剂中碳纳米管的吸附，从而减小摩擦磨损。主要结论本文报道了一种利用磨屑转化的摩擦膜和羟基化碳纳米管的协同效应促进粗糙钢表面实现低磨损超滑的策略。通过表面设计将部分磨屑转化为保护性氧化膜并降低表面粗糙度。在此基础上，摩擦化学反应导致金属氢氧化物增加，从而增强了氢键网络、促进了碳纳米管的吸附，减小了摩擦和磨损。这项工作变“废”（磨屑）为“宝”（摩擦膜），为如何在粗糙工程钢表面实现低磨损超滑提供了新的见解。
兰州化物所发表摩擦物理模型综述文章 2025-10-30 摩擦是几乎所有运动部件中固有的现象，易引发设备故障和经济损失，因此摩擦控制对降低能耗、延长设备寿命及提高系统稳定性至关重要。摩擦研究历史悠久，从15世纪的早期探索到现代微观尺度的突破，已提出大量理论模型。然而，摩擦本质上是多因素和多机制耦合的结果，这种复杂性导致当前摩擦研究仍处于现象描述阶段，不能量化摩擦，因此，亟需发展更精确、普适的物理模型以推动摩擦学科从现象描述阶段到理论阶段的转变。图1.摩擦的多因素与多机制耦合。近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室计算摩擦学团队在滑动摩擦的物理模型方面发表综述文章，从力学和能量耗散两个方面，综述了宏观到微观尺度的摩擦物理模型及其发展历史，从四个典型的摩擦现象出发——摩擦的负载和接触面积依赖、摩擦的速度依赖、摩擦的层数依赖、摩擦的电荷密度演化依赖，分析了现有摩擦模型的物理内涵和适用性，并探讨了面临的挑战。图2.基于力学摩擦物理模型的发展历程。图3.宏观尺度基于能量耗散摩擦物理模型的发展历程。该综述文章系统性地梳理和整合了从宏观经典定律到微观原子尺度近百年的摩擦物理模型发展脉络，清晰揭示了摩擦作为多机制耦合复杂现象的本质。通过基于负载、接触面积、速度、层数等典型摩擦依赖性对各类模型进行深入比较，深化了对摩擦物理起源的理解，明确指出了现有模型在预测精度、跨尺度能力及参数第一性原理计算等方面的局限与挑战，为摩擦学研究者提供了宝贵的“知识图谱”和清晰的未来发展方向，旨在推动摩擦研究从现象描述向定量预测和精准控制的范式转变。图4.微观尺度基于能量耗散摩擦物理模型的发展历程。该综述文章以“Physical Models of Sliding Friction: A Review”为题发表在Friction（2025,13,9441132）上。兰州化物所博士生吕秋辰为论文第一作者，何文豪副研究员和鲁志斌研究员为通讯作者。上述研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金、中国科学院“西部之光-西部交叉团队”项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的支持。
兰州化物所量子摩擦研究获重要进展 2025-07-03 摩擦本质和作用机制是摩擦学的基本科学问题，自达芬奇（Leonardo da Vinci,1452-1519）定义了摩擦系数以来，数百年来，科学家们对这一难题展开了不懈探索，先后提出了Amontons-Coulomb定律、分子－机械学说、粘着摩擦理论等学说，奠定了经典摩擦学的理论基础。随着纳米力学技术、低维材料和量子材料体系的发展，摩擦研究逐渐从宏观尺度拓展至声子、电子尺度。近日，中国科学院兰州化学物理研究所纳米润滑课题组在量子摩擦研究方面取得重要进展，研究团队首次在实验上观察到固-固界面量子摩擦现象，系统构建了电子、声子耗散与摩擦的内在关系，揭示了拓扑应变诱导的量子态调控摩擦机制。团队基于原子力显微镜纳米针尖操纵技术，构筑了具有可控曲率与层数的折叠石墨烯边缘拓扑结构（图1），系统开展了纳米尺度摩擦测量。研究发现，折叠石墨烯边缘摩擦力随层数呈现出显著的非线性变化（图2），违背了经典摩擦定律在固-固界面下的适用性。图1.纳米针尖操纵可控折叠石墨烯图2.折叠石墨烯量子摩擦行为通过扫描隧道显微镜（STM）和超快光谱技术的实验观测与理论分析，团队发现石墨烯中非均匀应变可通过调制电子跃迁参数（hopping）引入等效规范场，产生高达数十特斯拉的赝磁场（pseudo-magnetic field）。其数学本质是应变对系统哈密顿量的Peierls变换，导致拓扑非平庸的能带重构，并在STM中观测到量子化分立的赝朗道能级（图3）。这种电子结构变化显著抑制了电子-声子耦合，使电子耗散从连续态跃迁转变为赝朗道能级间的量子化跃迁，导致热电子冷却时间从暴露边缘的0.32 ps延长至折叠边缘的0.49 ps，有效降低了能量耗散，从而显著降低了摩擦。该工作不仅提供了固-固界面量子摩擦的首个实验证据，还构建了基于拓扑结构调控耗散模式的研究框架，验证了量子态调控界面电子耗散过程的可行性，对发展低能耗纳米器件，拓扑量子材料中的摩擦调控具有指导意义。图3.折叠石墨烯摩擦耗散机制该研究工作以“Pseudo-Landau levels splitting triggers quantum friction at folded graphene edge”为题发表在Nature Communications上。兰州化物所高新晨博士生为该论文第一作者，龚珍彬副研究员和张俊彦研究员为共同通讯作者。以上研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目和国家自然科学基金的支持。
清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室刘宇宏教授课题组：物理缠结水凝胶的超滑抗吸附研究 2025-04-22 自然界中，以壁虎、树蛙和蜗牛为代表的生物体能通过可逆调控界面黏附实现垂直甚至倒立表面的运动。这种独特的运动能力源于其快速可逆的黏附状态切换机制。然而，在合成材料体系中实现高/低黏附态的快速可逆转换仍面临挑战，主要受限于材料双稳态的稳定性、状态切换的动力学速率以及两态间的黏附性能差异三个关键因素。近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室周峰研究员团队与西北工业大学合作，基于软物质表面分子的动态构象转变机制，发展了一种具有快速可逆黏附调控功能的智能水凝胶材料。研究人员通过将Fe3O4纳米颗粒的光热转换效应（源于带间电子跃迁和缺陷态吸收）与N-异丙基丙烯酰胺的温敏特性相耦合，成功实现了近红外光远程控制的黏附性能可逆切换。图1. 智能水凝胶的设计与制备研究人员进一步揭示了其作用机制，通过近红外光激发纳米颗粒产生热效应，诱导水凝胶发生温度响应性相变，实现软物质表面水分子的渗出/吸收，改变其表面亲水羧酸基团的分子构象，进而可逆地控制邻苯二酚基团的屏蔽和暴露。这种基于界面分子构象变化调控的黏附机制具有无残留、可重复使用的特点，为智能黏附材料的开发提供了新思路。图2. 水凝胶黏附性能变化的表面润湿性机制该智能水凝胶的黏附行为表现出显著的温度响应特性。在高温相（>LCST），表面水化作用促使羧酸基团迁移至界面，有效屏蔽儿茶酚基团，导致界面相互作用显著减弱（黏附强度<0.3 kPa）。而在低温相（<LCST），儿茶酚基团充分暴露，界面相互作用形成，呈现高黏附状态（黏附强度>7.5 kPa）。系统研究表明，增加界面载荷和接触时间都仅能促进低温状态下的界面黏附，而对高温黏附性能无显著影响，这也进一步证明了高温条件下界面水对相互作用形成的有效屏蔽作用。此外，该黏附水凝胶材料表现出优异的智能黏附性能和广泛的基材适用性，实现了从无机到有机材料表面的可逆黏附。为进一步验证黏附水凝胶材料的可控性，研究人员实验演示了水凝胶在不锈钢基板上的光热响应行为，初始状态下可稳定悬挂50g重物，近红外光照后因黏附性能切换而黏附失效。图3. 智能水凝胶的光控脱黏试验上述研究，成功发展了一种具有光热响应特性的智能水凝胶材料。通过协同整合温敏性聚合物网络与光热纳米颗粒，实现了材料黏附性能的远程精准调控。该材料体系在创面修复、柔性电子器件和软体机器人等新兴领域展现出重要的应用前景，为智能黏附材料的设计提供了新的研究思路。相关研究成果以“Light-controlled Adhesive Hydrogels for On-Demand Adhesion”为题发表在Chem & Bio Engineering上。同时，该成果已被美国化学学会发行的新闻周刊chemical & engineering news（C&EN，全球最具权威和影响力的化学新闻来源之一。）以“New hydrogel offers light-controlled reversible stickiness”为题报道。以上工作得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程等项目的支持。
高端装备界面科学与技术全国重点实验室李津津课题组在绿色低粘润滑油添加剂设计上取得进展 2025-03-31 近日，高端装备界面科学与技术全国重点实验室李津津副教授团队在设计开发新型绿色润滑材料上取得进展。相关成果以“In-situ catalysis of green lubricants into graphitic carbon by iron single atoms to reduce friction and wear”为题发表在Nature Communications期刊上。论文设计了一系列不含硫、磷元素的二酯类绿色润滑油添加剂，在超低粘度的润滑油中具有优异的抗磨减摩性能。该工作对摩擦过程中的表面催化、分子结构与润滑性能之间的构效关系做了深入研究。导读：摩擦和磨损是影响机械系统效率和寿命的关键因素。传统润滑油添加剂，如二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP），尽管在减少磨损方面表现出色，但其含有的硫和磷元素会对环境造成污染，并造成汽车尾气催化转换器的毒化。因此，开发低磷、低硫，甚至无磷、无硫的添加剂成为新型绿色润滑材料的发展趋势。尽管现有研究中常采用石墨烯、碳纳米管、氮化硼等纳米材料作为润滑油添加剂，但是其在液体润滑油中尝尝面临易团聚、难分散等问题，难以工业化应用。一个可行的方案是在摩擦界面原位生成类石墨结构，从而减小摩擦和磨损。近期，Nature Communications报道了清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室雒建斌院士团队李津津副教授在基于前期研究基础，开发了一系列二酯类添加剂，并取得了优异的抗磨减摩效果。其中最为典型的苹果酸二辛酯（DOM），其作为低粘油聚α烯烃（PAO2）的添加剂时，可以将摩擦系数降低50%， 磨损体积减小80%，具有比工业添加剂ZDDP更低的摩擦系数和相近的磨损，且该类添加剂在2.78GPa的极高接触压力下也可以维持稳定的抗磨减摩效果。通过对摩擦后磨痕的分析，发现该类添加剂可以在磨痕上生成一层被光学显微镜观察到的摩擦膜（tribofilm），且该摩擦膜在磨痕表面的面积覆盖率与跑合期间摩擦系数的降低趋势刚好吻合（图1h），从而验证了该摩擦膜优异的减摩效果。图1 不同添加剂在聚α烯烃 (PAO) 中的摩擦学性能对比作者通过纳米力学分析、表面化学分析等进一步解释了该摩擦膜在微纳尺度上具有更低的杨氏模量（图2b,c）、粘附（图2e）、剪切（图2d），从而可以实现宏观尺度的低摩擦、低磨损特性。该类摩擦膜的厚度约为30nm，其主要成分由类石墨碳材料构成（图2f, h）。图2 苹果酸二辛酯 (DOM) 形成的磨痕的纳米力学与表面化学分析作者进一步深入探究了摩擦过程中添加剂分子结构和摩擦副材料的影响。发现当二酯中羧酸部分长度增加到6个碳链长度时（图3，DOA， DOS），就无法生成类石墨结构，只能造成磨痕表面的氧化，生成氧化铁类化合物。但是当增加二酯分子结构中的醇的碳链长度时（图3，DOSN），依然可以生成类石墨结构。此处，作者推测由二酯类化合物生成类石墨结构的摩擦化学反应是一个类似于自由基聚合的过程，其中第一步自由基的引发因为需要额外能量的输入，因此成为整个反应的决速步骤。当二酯类分子中羧酸部分的碳链长度小于等于4时，C-C键断裂后，形成的自由基可以被两端酯键中氧原子上的孤电子对所稳定（图3j，DOT），因此显现出更低的C-C键解离能。这种更低的解离能有助于引发摩擦化学反应，从而生成类石墨结构。但是当二酯中羧酸部分的碳链长度达到6时（图3j，DOS），形成的自由基由于距离另一侧酯键的距离较远，无法被稳定，因此需要更高的解离能，无法快速有效的生成类石墨结构。图3 二酯类添加剂的分子结构对摩擦学性能及磨痕表面产物的影响分析作者也发现这种二酯类添加剂只能在金属铁表面才可以生成类石墨结构，从而减小摩擦和磨损，而在玻璃、蓝宝石等材料表面却不可以生成（图4）。此处，作者推测是因为金属材料表面的催化活性所导致的。但这里作者提出当摩擦膜的厚度生长到5nm后，就阻碍了金属基底与有机分子的传质作用，导致金属基底无法催化生长摩擦膜到30nm的厚度(图4a)。但作者另外发现，轴承钢摩擦副在摩擦过程中可以产生铁单原子，从而嵌入在类石墨摩擦膜结构中，实现金属催化剂与有机小分子的持续传质作用(图4b)，从而催化生长至30nm纳米厚度的类石墨摩擦膜。有趣的是，块体金属材料通过摩擦作用产生单原子的现象，在机械化学领域也得到验证与关注（Abrading bulk metal into single atoms. Nat. Nano-technol.17,403–407 (2022)）。图4 苹果酸二辛酯 (DOM) 在不同材料表面的摩擦学性能对比以及表面传质机理示意图为进一步验证机理，作者通过反应分子动力学模拟了该类分子在金属铁和二氧化硅（玻璃主要成分）的路径过程，发现其只能在金属铁表面才可以发生脱氢、重整成碳环的现象，进一步验证了金属催化的效应。图5 苹果酸二辛酯 (DOM) 分子在Fe表面的结构演变示意图该工作有力揭示了摩擦界面过程中润滑剂分子结构以及固体摩擦副对类石墨结构生成的影响，有助于为设计新型绿色润滑材料提供借鉴思路。该工作第一作者为博士后宋伟，通讯作者为清华大学李津津副教授、天津工业大学张伟伟研究员。清华大学博士生马晓阳、欧阳楚可，博士后孙守义等，帝国理工学院Janet Wong，曾崇阳等对此工作做出重要贡献。该工作得到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、中国博士后科学基金的支持。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58292-6
Ni基软硬复合涂层减摩耐磨性能研究 2025-03-21 Ni基软硬复合涂层减摩耐磨性能研究研究背景：在航空航天、轨道运输及汽车传动领域，摩擦磨损是造成金属零部件损坏的主要原因之一，固体润滑技术已成为增强摩擦性能及延长零部件服役寿命的有效手段。目前提升金属部件摩擦磨损性能研究主要聚焦于两个方面：一是在金属表面制备含固体润滑剂的硬质耐磨复合涂层，二是在金属表面微织构中填充具有减摩性能的固体润滑剂。但研究发现摩擦过程中会存在润滑层形成不完整、耐久性差等问题，且无法同时兼顾减摩耐磨性能。因此如何实现金属部件表面润滑层形成易控、减摩耐磨性能优异成为急需解决的难题。研究思路：本文提出了一种新型软硬一体复合涂层结构，即在20CrMo轴承钢表面激光熔覆工艺制备掺杂20%WC的Ni基硬质涂层，随后通过喷涂技术在涂层表面喷涂含MoS2的PTFE软质涂层，采用软硬一体复合涂层来实现减摩耐磨性能兼顾及润滑层形成可控。通过先进测试技术分析基体、Ni基硬质涂层以及PTFE软质涂层的结合性，并开展不同载荷工况下摩擦磨损性能试验研究，探究宽载荷范围下软硬一体复合涂层摩擦磨损规律，揭示Ni基软硬一体复合涂层协同减摩耐磨机理。研究背景：在航空航天、轨道运输及汽车传动领域，摩擦磨损是造成金属零部件损坏的主要原因之一，固体润滑技术已成为增强摩擦性能及延长零部件服役寿命的有效手段。目前提升金属部件摩擦磨损性能研究主要聚焦于两个方面：一是在金属表面制备含固体润滑剂的硬质耐磨复合涂层，二是在金属表面微织构中填充具有减摩性能的固体润滑剂。但研究发现摩擦过程中会存在润滑层形成不完整、耐久性差等问题，且无法同时兼顾减摩耐磨性能。因此如何实现金属部件表面润滑层形成易控、减摩耐磨性能优异成为急需解决的难题。研究思路：本文提出了一种新型软硬一体复合涂层结构，即在20CrMo轴承钢表面激光熔覆工艺制备掺杂20%WC的Ni基硬质涂层，随后通过喷涂技术在涂层表面喷涂含MoS2的PTFE软质涂层，采用软硬一体复合涂层来实现减摩耐磨性能兼顾及润滑层形成可控。通过先进测试技术分析基体、Ni基硬质涂层以及PTFE软质涂层的结合性，并开展不同载荷工况下摩擦磨损性能试验研究，探究宽载荷范围下软硬一体复合涂层摩擦磨损规律，揭示Ni基软硬一体复合涂层协同减摩耐磨机理。主要贡献：本文提出一种新型软硬复合涂层结构，同时具备了耐磨减摩双重作用；在宽载荷范围内，实现摩擦系数稳定在0.2以下，磨损量相较于基体降低87%左右；阐明了软硬复合协同减摩耐磨机制。潜在应用：Ni基软硬复合涂层尤其在中低载荷工况摩擦性能最为优异，有望应用于中低重载荷摩擦部件，如关节轴承和轻载液压装置等。本研究有望为多功能涂层设计及结构优化提供指导。作者简介/课题组介绍：刘锡尧，博士，西安工业大学副教授，研究生导师。致力于高端装备机械基础部件摩擦磨损性能调控、机械润滑与密封、精密及超精密加工的研究工作。近年来，主持国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基础研究计划等科研项目10项，参与国家级、省部级等科研项目5项；以第一/通讯作者发表SCI/EI论文20篇，授权国家发明专利6项；获陕西省高等学校科学技术二等奖；担任多个中英文SCI/EI期刊的青年编委。主要贡献：本文提出一种新型软硬复合涂层结构，同时具备了耐磨减摩双重作用；在宽载荷范围内，实现摩擦系数稳定在0.2以下，磨损量相较于基体降低87%左右；阐明了软硬复合协同减摩耐磨机制。潜在应用：Ni基软硬复合涂层尤其在中低载荷工况摩擦性能最为优异，有望应用于中低重载荷摩擦部件，如关节轴承和轻载液压装置等。本研究有望为多功能涂层设计及结构优化提供指导。作者简介/课题组介绍：刘锡尧，博士，西安工业大学副教授，研究生导师。致力于高端装备机械基础部件摩擦磨损性能调控、机械润滑与密封、精密及超精密加工的研究工作。近年来，主持国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基础研究计划等科研项目10项，参与国家级、省部级等科研项目5项；以第一/通讯作者发表SCI/EI论文20篇，授权国家发明专利6项；获陕西省高等学校科学技术二等奖；担任多个中英文SCI/EI期刊的青年编委。
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