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机械工程学会摩擦学分会 固体润滑国家重点实验室 摩擦学学报

研究进展

北航郭林/刘利民团队在单原子层非晶材料合成研究方面取得进展 2024-09-27 2024年9月25日，《Nature》杂志报道了北京航空航天大学郭林教授、刘利民教授研究团队和合作者在氮掺杂单原子层非晶碳可控合成上取得的最新进展：《Nitrogen-doped amorphous monolayer carbon》。该工作提出了一种利用纳米尺度二维限域模板进行小分子聚合的液相合成策略，成功制备了氮掺杂的单原子层非晶碳材料。这项研究解决了二维非晶材料合成领域的长期挑战，为二维非晶材料在材料科学、电子器件及其他前沿技术领域的应用开辟了新途径。 北京航空航天大学博士生白秀辉、副研究员胡鹏飞、博士生张有玮、薛宇峰、中国科学院大学博士生李昂、李傲雯、国家纳米科学中心副研究员张光杰为论文共同第一作者。北京航空航天大学郭林教授、刘利民教授、国家纳米科学中心裘晓辉研究员、中国科学院大学周武教授、清华大学谷林教授为论文的通讯作者。北京航空航天大学化学学院为第一单位。 1995年，诺贝尔物理学奖得主P. W. Anderson曾在《Science》撰文指出，非晶材料的本质和形成机理是凝聚态物理领域最深刻和有趣的问题。与晶体材料的周期性规则原子排列不同，非晶材料的无序结构使其性质难以预测和控制。早在1932年，芝加哥大学W. H. Zachariasen教授提出了“连续随机网络（Continuous random networks）”模型，利用二维网络结构来描述非晶材料的独特结构特征。1996年，美国科学院院士Steven G. Louie在Phys. Rev. B发表文章，预测二维非晶碳材料可能包含复杂的五元环和七元环结构。然而，如何精准地合成这类独特的单原子层非晶材料是一个挑战性课题。 图1.;氮掺杂单原子层非晶碳。 在这项研究中，由北京航空航天大学郭林教授、刘利民教授研究团队及合作者等开创了一种全新的液相限域聚合方法。该方法通过层状模板的限域作用，抑制了分子聚合过程中的三维旋转和缠绕，使分子在二维平面内发生聚合，突破了吡咯单体在传统聚合中局限于α-C位点交联的限制，促进了β-C和N位点的交联聚合，构成平面网络结构，最终形成了五、六、七元环共存的二维非晶结构，成功在实验上验证了W. H. Zachariasen和Steven G. Louie提出的理论预测。 利用低电压扫描透射电子显微镜技术，研究团队精确解析了碳原子和氮原子在二维非晶碳网络中的分布，确认了氮原子嵌入到五、六、七元环混合的二维拓扑网络中，氮掺杂浓度可达9%。光学和电学性质测试表明，该材料具有p型半导体特性，为研究原子掺杂对二维非晶碳材料的电子局域化现象的影响提供了理想的研究平台。 图2.;二维限域聚合新机制。 研究团队还将这一普适性的合成策略成功应用于含其他杂原子的单层非晶碳材料的制备，包括聚咔唑（PCZ）和聚噻吩（PTH）等。该项工作在二维聚合物限域合成领域迈出了重要一步，为未来开发性能优越的二维非晶材料提供了新的研究方向。这类材料在电子器件、储能、催化等领域具有潜在的应用前景。 图3.;普适性合成策略制备（a）单层聚噻吩和（b）单层聚咔唑。 该工作得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、北京高校卓越青年科学家计划、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目和中国科学院大学电子显微学实验室等的支持。衷心感谢清华大学李亚栋院士对该工作给予的建议和指导帮助。 论文原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07958-0
南大应佚伦团队在多肽异构体识别研究方面取得进展 2024-09-27 天然异聚体孔道蛋白是由不同种类的蛋白质单体按照特定化学计量比组装形成的具有非对称结构域的一类孔道蛋白。这些结构域内部特定排列的亚基构象共同组成了具有底物立体正交识别能力的限域传感结构。因此，设计异聚体蛋白质纳米孔道传感器，构建其与待测分子的特定立体识别相互作用网络，有望提升现有均聚体蛋白质纳米孔道传感器的空间分辨能力，实现立体异构体的超灵敏单分子电化学测量。然而构建化学计量比、区域选择性及立体构象可控的异聚体蛋白质纳米孔道，长期以来是蛋白质构建及单分子传感领域的难点。 近年来我院应佚伦教授团队在纳米孔道单分子反应测量技术及方法上不断创新，发展了纳米孔道内单分子反应的“四态”动力学分析测量模型，建立了单分子化学反应速率的外场调控新方法，解析了限域氧气介导下的二硫键氧化断裂新路径;(Chem. Sci.;2022, 13, 4109;;Angew. Chem. Int. Ed.;2023, 62, e20230423)。在此基础上，团队突破现有蛋白质异源单体混合后再组装的传统构建思路，提出“边合成边测量”（Synthesis by Sensing）的异聚体蛋白质纳米孔道制备新策略。该方法首先组装形成反应型同源蛋白质纳米孔道，随着孔道内反应位点被共价化学修饰，通过记录纳米孔道单分子离子流电信号变化，获得了可分辨产物位置异构体的特征离子流信号，实时监测了反应进程，从而解析了单分子修饰反应路径和孔道内化学反应区域选择性机制；结合外场智能调控技术，现场原位地操控了每一步共价修饰反应进程，实现在单分子水平上精准制备化学计量比、区域选择性和亚基立体构象可控的异聚体蛋白质纳米孔道。团队进一步利用纳米孔道单分子化学反应测量技术获得的反应路径信息，成功指导了异聚体孔道蛋白的规模化制备，首次获得了纳米孔道单分子反应产物的冷冻电镜证据。通过纳米孔道单分子电化学测量和全原子分子动力学模拟，证明了该异聚体蛋白质纳米孔道能够在单分子水平上精准识别与定量互为对映异构体和非对应异构体的系列多肽，识别精度超过95%。 图1;单分子电信号实时原位跟踪蛋白质纳米孔道内逐步化学反应修饰进程 相关成果以“Single-Molecule Sensing inside Stereo- and Regio-Defined Hetero-Nanopores”为题发表在Nature Nanotechnology期刊上（DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-024-01721-2）。南京大学化学化工学院应佚伦教授为论文通讯作者，刘威（19级博士生），朱强（博士），杨超男（21级博士生）为论文共同第一作者，马晶教授和龙亿涛教授分别在全原子分子动力学模拟和纳米孔道电化学测量方面提供重要指导。该工作得到了科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
我国学者成功实现基于本地频率参考的双场量子密钥分发 2024-09-27 图 基于本地频率参考的双场量子密钥分发实验装置图 在国家自然科学基金项目（批准号：T2125010、12374470、12174215）等资助下，中国科学技术大学潘建伟教授、张强教授等与济南量子技术研究院、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、清华大学等单位合作，通过发展基于乙炔饱和吸收谱的独立光源频率稳定技术，在500公里光纤距离下，成功实现了无需统一光学频率参考的双场量子密钥分发（TF-QKD），推动了TF-QKD技术的实用化，对大规模量子通信网络构建具有重要意义。相关研究成果以“基于本地频率参考的双场量子密钥分发（Twin-Field Quantum Key Distribution with Local Frequency Reference）”为题，于2024年6月28日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)，论文链接为https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.260802。 量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以在用户间实现安全的密钥共享，结合“一次一密”加密法，可实现无条件安全的保密通信。TF-QKD协议将无中继QKD成码率随信道透过率的关系从原先的线性关系提升至平方根相关，显著提升了QKD的安全成码距离，被认为是量子通信骨干网的理想解决方案之一。然而，光源频率微小的偏差以及光纤链路中的波动都会积累相位噪声，从而降低TF-QKD的成码性能。 目前，针对TF-QKD光纤链路波动的补偿技术已经相对成熟，可以通过引入相位参考光并根据其干涉结果，进行实时的主动相位反馈，或者在数据后处理中进行补偿。要实现TF-QKD的实用化，还需要解决远距离独立激光器的频率偏差这一主要挑战。尽管可以利用统一的光学频率，通过时频传输或光学锁相环来控制独立激光器的频率，或者采用高速率的单光子探测并结合数据处理算法进行补偿，但这些方法都大大增加了TF-QKD在实际网络部署中的技术难度和成本，从而阻碍了其实用化的进程。 本工作中，研究团队通过分析TF-QKD独立光源的频率稳定性要求，提出了一种利用乙炔饱和吸收光谱作为本地绝对频率参考的方法，并在500公里的光纤距离下成功进行了验证。该方案降低了激光器频率偏差控制的实施成本和技术难度，使得TF-QKD系统更为简便实用。该研究表明，在TF-QKD的大规模量子通信网络中，所有节点可以只需依靠本地参考，而不需要节点间共享统一的光学频率参考，这为TF-QKD的实际部署提供了更加实用可行的技术路线，有望未来在城市间和自由空间量子通信网络中得到广泛应用。
我国学者在极弱磁场量子精密测量领域取得进展 2024-09-27 图 碱金属-惰性气体原子混合气室 在国家自然科学基金项目（批准号：T2388102）等资助下，中国科学技术大学彭新华教授、江敏副教授及其合作者在基于自旋的极弱磁场量子精密测量技术方面取得了新进展。相关成果以“原子共磁力计中的新型磁噪声自补偿效应（New Classes of Magnetic Noise Self-Compensation Effects in Atomic Comagnetometer）”为题，于2024年7月11日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)，论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett. 133.023202。 寻找粒子物理标准模型之外的新粒子对于探索新物理至关重要。近几十年来，标准模型外的奇异自旋相互作用激发了精密测量领域的浓厚兴趣。相关研究涉及自旋与暗物质粒子相互作用、搜寻第五力、检验永久电偶极矩、自旋引力耦合等前沿领域。这些奇异自旋相互作用会导致自旋能级的微小变化，等效于极弱磁场的作用。因此，高精度的极弱磁场测量技术成为探测这些微妙信号的全新手段。然而，这类精密测量实验普遍面临的巨大挑战是信号常会被磁噪声掩盖，或受到其他与磁场相关效应的干扰。为了解决以上难题，原子共磁力计是一种有效抑制磁噪声的工作方式，但由于其仅适应于低频噪声情形（小于1 Hz），阻碍了在广阔的未探索参数空间中对奇异自旋相互作用的实验研究。 研究团队长期致力于极弱磁场的自旋量子精密测量技术及其应用研究。在最新的研究成果中，团队首次发现了碱金属原子和惰性气体原子之间的法诺干涉效应，该效应利用惰性气体核自旋对不同频率磁场响应的相位差异，展现出非对称增强-抑制的磁响应线型，同时基于此现象，发展并实现了一种基于法诺共振干涉相消的磁噪声抑制方法。实验利用气态氦（3He）和钾原子混合体系，通过对多个关键实验参数的精细调控，他们发现了一类磁噪声自补偿效应，实验成功实现了从近直流到高达200 Hz范围内磁噪声超过2个量级的抑制。相比之下，之前的原子共磁力计通常只能抑制小于1 Hz的低频磁噪声。本研究有望在更广频率范围内克服磁噪声（如实验中广泛存在的约翰逊噪声等）的限制，将奇异相互作用的探测灵敏度提升1个量级，达到0.1fT/Hz1/2水平。这项技术在基础物理研究中超越标准模型新物理的探测等领域，具有重要的科学意义和应用前景。
我国学者在骨骼干细胞修复骨折损伤研究方面取得进展 2024-09-27 图 Itm2a阳性细胞作为骨折损伤修复过程中的祖细胞 在国家自然科学基金项目（批准号：82230082、81991512、82102569）等资助下，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心、海南医科大学邹卫国研究员团队与中国科学院分子细胞科学卓越创新中心周波研究员团队合作，在骨折损伤修复机制研究方面取得进展。研究成果以“Itm2a标记骨外膜中参与骨折损伤修复骨骼干细胞类群（Itm2a expression marks periosteal skeletal stem cell that contribute to bone fracture healing）”为题，于2024年9月3日在线发表于期刊《临床研究杂志》（Journal of Clinical Investigation）上。论文链接：https://www.jci.org/articles/view/176528。 随着我国社会经济的快速发展与人口老龄化的不断加剧，骨折的发生率也日益攀升。临床约5％~10％的骨折患者无法正常愈合。参与骨折损伤修复的骨骼干细胞主要来源于骨髓和骨膜，其中骨膜来源的骨骼干细胞（periosteal skeletal stem cells, P-SSCs）对骨折损伤修复起重要作用，但目前仍缺少P-SSCs的特异性膜蛋白标志物，导致难以直接分选P-SSCs，阻碍了基于干细胞治疗骨折愈合不良的临床转化研究。 该合作研究团队通过对已知骨损伤修复细胞来源的Prrx1-Cre阳性骨膜组织进行单细胞测序和细胞类群解析，筛选出整合膜蛋白2A（Integral Membrane Protein 2A ，Itm2a）分子作为P-SSCs的特异性膜蛋白标志物；利用肾囊移植与骨钻孔移植模型，发现Itm2a阳性P-SSCs具有良好的自我更新能力与分化潜能；进一步构建Itm2a-CreER小鼠，通过谱系示踪实验证明了Itm2a阳性骨膜细胞可以作为祖细胞参与骨折和骨缺损的修复过程（图），且Itm2a谱系比Prrx1谱系对骨折过程中的软骨和成骨的贡献更高；Bmp2在Itm2a谱系中的基因敲除或Itm2a谱系细胞的清除都会使得骨折愈合发生障碍。此外，该团队在人的骨骼样本中也检测到了ITM2A阳性细胞，并且人ITM2A阳性骨骼干细胞在体外培养与肾囊移植模型中较ITM2A阴性骨骼干细胞展现出更强的干细胞性质。 该研究鉴定了骨外膜干细胞膜蛋白标志物Itm2a，为临床上应用骨膜来源干细胞治疗骨折愈合不良提供了前期研究基础，Itm2a-CreER小鼠的构建也为骨膜干细胞的相关研究提供了良好的动物模型。
我国学者在代谢功能障碍相关脂肪性肝炎治疗研究方面取得进展 2024-09-27 图 SGLT2抑制剂靶向调控CD8+ T细胞酮体代谢改善MASH的示意图 在国家自然科学基金项目（批准号：82325011、U22A20288、81970736）等资助下，南方医科大学南方医院张惠杰教授、南方医科大学广东省人民医院杨魏教授和山西医科大学附属第二医院李晋教授合作，在代谢功能障碍相关脂肪性肝炎治疗研究方面取得进展。研究成果以“SGLT2抑制剂通过促进酮体生成，抑制CD8+ T细胞活化进而改善代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（SGLT2 inhibitor promotes ketogenesis to improve MASH by suppressing CD8+ T cell activation）”为题，于2024年9月6日在《细胞·代谢》（Cell Metabolism）杂志上在线发表。论文链接：https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(24)00332-2。 代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（Metabolism dysfunction associated steatotic liver disease, MASH），以肝脏脂肪变以及肝脏炎症为主要特征，是肝硬化和肝癌的常见病因之一，严重影响患者的生存质量与预期寿命。钠-葡萄糖协同转运蛋白2（Sodium glucose cotransporter 2，SGLT2）抑制剂是改变当今糖尿病治疗理念的一类新药，其在糖尿病心肾并发症的防治中表现突出。但SGLT2抑制剂在MASH治疗中的具体作用及机制仍未明确。 研究团队通过在多种MASH小鼠模型中进行SGLT2抑制剂干预研究后发现，SGLT2抑制剂能够抑制肝脏内CD8+ T细胞浸润与细胞因子的分泌而改善MASH。进一步利用CD8+ T细胞特异性基因敲除小鼠和分子生物学实验发现，SGLT2抑制剂通过增加CD8+ T细胞内3-羟基丁酸脱氢酶（3-hydroxybutyrate Dehydrogenase 1，BDH1）的表达以调控其酮体代谢，抑制干扰素调节因子（interferon regulatory factor 4，IRF4）的表达及其核内转移，进而影响CD8+ T细胞的功能，从而延缓MASH疾病进程。最后，研究团队也证实SGLT2抑制剂可有效抑制MASH患者肝脏中CD8+ T细胞的浸润，并减轻肝脏脂质沉积与炎症浸润（图）。 该研究发现SGLT2抑制剂可靶向CD8+ T细胞内的酮体代谢，在改善MASH疾病进程中发挥重要作用，为MASH的治疗策略提供了新的见解。
ACS Nano: 面内弹性成像揭示石墨烯表面剪切各向异性畴结构 2024-09-27 本研究利用一种基于原子力显微镜的面内弹性成像方法——扭转共振原子力显微术（TR-AFM），揭示出石墨烯等二维晶体材料表面广泛存在的各向异性畴结构为面内弹性（剪切）各向异性，而非前期研究所认为的“摩擦各向异性”。同时，本研究表明，此类剪切各向异性畴结构并非石墨烯本身结构，而是源于环境中的吸附分子在其表面按不同取向自组装的结果。图1：利用扭转共振原子力显微术揭示石墨烯表面剪切各向异性畴结构研究背景：近年来，随着表界面表征方法的发展以及对二维材料物理性质研究的深入，大量研究发现石墨烯及其他二维晶体材料中广泛存在二重对称的各向异性畴结构。然而，关于此类畴结构的物理来源及其各向异性的物理机制尚不清楚。一方面，此类畴结构的哪些特性导致了各向异性还没有很好的解释。由于此类畴结构最早是通过摩擦力显微镜（FFM）发现的，因此其通常被认为是“摩擦各向异性的”畴结构。然而，后续研究表明一种非常规的横向力显微镜成像模式——横向剪切显微镜（TSM）相较FFM对此类畴结构具有更好的灵敏度。尽管关于TSM的成像机制目前尚不清楚，实验研究表明其衬度来源并非表面摩擦。基于此，我们认为“摩擦各向异性”或许无法准确反映上述畴结构的各向异性本质。另一方面，关于上述畴结构到底是什么仍存争议。部分研究认为此类畴结构是因受衬底非均匀应力，二维材料按不同方向形成周期性微波纹结构而导致的。然而，非均匀应力能否引入高度周期性的微波纹结构值得商榷。本文研究：针对上述问题，本文作者利用一种基于原子力显微镜的面内弹性成像方法——扭转共振原子力显微术（TR-AFM）研究了石墨烯的各向异性畴结构。其研究结果表明：基于原子力显微镜的面内弹性成像（TR-AFM）能够清晰揭示石墨烯等二维材料各向异性畴结构。此类畴结构体现出面内弹性（剪切）各向异性，而非传统所认为的“摩擦各向异性”。此类畴结构由源于环境的污染物分子在石墨烯表面吸附、自组装形成，而非石墨烯本身结构。本研究对二维材料各向异性畴结构提供了新的认识，有利于更全面理解二维材料力学、摩擦性质。同时，本研究显示TR-AFM在分子晶体等材料面内弹性成像表征中具有良好前景。图2：单层石墨烯表面剪切各向异性畴结构作者信息：本文作者来自中国科学技术大学、中国科学院兰州化学物理研究所与波兰雅盖隆大学，通讯作者信息如下： 马成福 中国科学院兰州化学物理研究所，特聘青年研究员于2011年、2017年自中国科学技术大学取得学士、博士学位，后在中国科学技术大学开展研究工作，曾在德国哥廷根大学、德累斯顿工业大学访学。其研究工作聚焦面向纳米力学与纳米摩擦学的扫描探针显微术，现（曾）主持国家自然科学基金面上项目、青年基金、合肥市自然科学基金等科研项目。陈宇航 中国科学技术大学，副教授于2000年、2005年自中国科学技术大学取得学士、博士学位，后在中国科学技术大学工作至今。其科研方向主要集中在扫描探针显微镜仪器校准方法、表面纳米计量、新型原子力显微镜成像表征技术的研发及应用。文章信息：Ma C, Li Y, Zhou C, Chen Y, Gnecco E, & Chu J. Shear Anisotropy Domains on Graphene Revealed by In-Plane Elastic Imaging. ACS Nano, 4c04368 (2024).原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c04368
Chem. Soc. Rev.：生物启发的超润湿油水分离策略：迈向开放时代 2024-09-26 研究亮点：该研究系统地探讨了仿生超润湿材料在复杂多尺度油水分离中的应用，并讨论了在受限空间内2D膜过滤和3D海绵吸附材料的发展，总结了核心分离机制、关键研究发现以及这些材料的演化逻辑。研究背景：1、水资源的稀缺性和不均匀分布是当今社会面临的最严重挑战之一。到2030年，预计世界上47%的人口将生活在极度缺水的地区。2、快速的人口增长、持续的城市化以及不可持续的人类活动，如工业废水、生活污水和石油泄漏，加剧了这一问题，威胁到人类的基本生存和繁衍。3、尽管过去一个世纪以来，人们开发了各种工业油水分离技术，但这些方法存在高能耗、依赖大型设备、处理费用昂贵、分离效率低以及需要人工控制等明显缺点。研究思路：本综述中，研究者系统地检查了仿生超润湿材料在复杂多尺度油水分离中的应用。从受限空间到开放空间，讨论了不同仿生超润湿分离策略的材料制备、分离机制和缺点。重要的是，为了指导未来研究，评估并比较了这些策略的设计概念、分离原理、应用材料、综合性能和存在问题。最后，强调了该领域的瓶颈和发展前景。主要结论：1、通过分析非重构和Pandey重构的C（111）/Cu（111）界面作为代表性模型，研究者深入了解了通过化学改性和表面重构调节金刚石和DLCs涂层在过渡金属基材上的附着力。2、表面石墨化的增加会导致粘附力降低，这与界面区域的电子电荷积累量减少有关。吸附原子嵌入导致金刚石/DLC 与表面sp3的粘附淬火悬垂键：氟和硫是最有效的，可降低96%和74%的粘附力。3、通过增加表面石墨化和玩弄原子种类插层来微调粘附力。事实上，两者都N特别是B增加了Pandey和Cu（111）之间的附着力（分别增加了46%和159%），而S和F再次在降低它方面最强大（分别下降了100%和96%）。 文章信息：1、Zhuoxing Liu, Yifan Si, Cunlong Yu, Lei Jiang, Zhichao Dong. Bioinspired superwetting oil–water separation strategy: toward the era of openness[J]. Chem. Soc. Rev., 2024, DOI: 10.1039/d4cs00673a.https://doi.org/10.1039/d4cs00673a2、作者团队来自中国科学院物理化学技术研究所、中国科学院大学未来技术学院、香港城市大学生物医学工程系、中国科学技术大学苏州高等研究院。
兰州化物所与湖北大学合作在Chemical Reviews发表“聚合物凝胶的力学调控”综述文章 2024-09-23 聚合物凝胶作为一类典型的类组织工程软材料，在装备动力传动系统、致动器和机器人、能源装备、生物医疗工程、柔性生物电子、化妆品等领域具有广阔的应用前景。凝胶的工程应用需面对不同的环境工况条件，对聚合物凝胶的机械/力学性能及相关功能进行调控，是该领域科学研究的重要前沿之一。图1. 具有优异力学性能聚合物凝胶的典型应用和评价参数近期，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室合成润滑材料研究团队与湖北大学材料科学与工程学院合作，在聚合物凝胶力学调控的分子机制和工程策略方面发表相关综述文章，阐述了聚合物凝胶的力学机制、调控策略和仿生制造原理方法，展望了聚合物凝胶潜在的应用领域和未来发展前景。图2. 聚合物凝胶的力学机制与调控策略文章提出了耦合多种相互作用构筑网络结构，实现聚合物凝胶可定制化及调控其力学性能的策略。研究显示，力学调控的分子工程可在分子尺度上编辑分子结构、操纵官能团引入非共价相互作用，及利用可逆的动态键作为有效的力学耗散能等赋予凝胶材料不同的性能。研究认为，凝胶的调控机制主要依赖于聚合物网络效应、交联剂效应、非共价相互作用、纳米晶域、链缠结以及分子的立体化学效应，而力学调控的结构工程策略主要是优化体相网络以构建高阶耗散结构，包括溶剂相调控及新颖构筑策略、发挥机械化学/力效应、发展机械互锁结构以及对异质模量进行调节等。基于力学调控在分子工程和结构工程的多种调控策略，研究发现分子和结构尺度的耦合不仅会获得极端力学性能，而且为物理和化学多种属性之间的兼容提供了可操纵手段。作者融合凝胶材料的力学机制和仿生制造方法，提出了“协同方法学”（synergistic methodology）的调控思想。在力学性能方面，协同方法学主要是指将分子工程和结构工程的各种调控策略完美地集成在同一体材料中，实现不同力学属性之间的权衡，尤其在强度、韧性、弹性、疲劳、黏附等；在凝胶功能方面，协同方法学主要指实现力学性质与电学、光学、生物摩擦学等性质之间的兼容。聚合物凝胶构筑协同方法学从材料性能和功能两个调控视角出发，为解决材料互不相容性质之间的冲突提供了新思路，对设计制备具有优异性能与特殊功能的新型聚合物凝胶材料具有重要的参考价值和理论指导作用。相关研究工作以“Mechanical Regulation of Polymer Gels”为题，发表在Chemical Reviews(2024，https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00498)上。中国科学院大学博士生许成功为该论文第一作者，中国科学院院士、兰州化物所刘维民研究员，兰州化物所黄金霞副研究员和湖北大学郭志光教授为共同通讯作者。上述工作得到国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项（B类）等的支持。图3. 协同方法学（synergistic methodology）在互不相容性质的兼容性作用
Carbon：在多环境下为H-DLC复合材料建立超润滑性 2024-09-18 研究亮点：本研究成功解决了在惰性气体和活性气氛中，H-DLC薄膜难以实现超低摩擦的问题，通过引入石墨烯氧化物（GO）和二硫化钼（MoS2）片，制备了GO/MoS2/H-DLC三元复合材料，实现了在多种气氛下的近无摩擦状态。研究背景：1、氢化金刚石样碳（H-DLC）薄膜因其出色的超润滑性能，在机械系统中减少摩擦和节省能量消耗方面显示出巨大潜力。然而，H-DLC薄膜在含氧和潮湿空气中的超低摩擦状态难以维持，限制了其在工程领域的广泛应用。2、为了在各种气氛中实现近无摩擦状态，本研究采用GO和MoS2与H-DLC薄膜复合，制备了GO/MoS2/H-DLC三元复合材料，并通过系统的摩擦学性能测试，验证了其在不同气氛下的超润滑性能。研究思路：本研究首先通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术在硅片上制备了H-DLC薄膜，然后通过将GO和MoS2片分散在乙醇中，形成均匀分散的混合物，滴涂在H-DLC薄膜上，制备了GO/MoS2/H-DLC三元复合材料。通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、能量色散光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段对材料的结构和组成进行了表征。进一步，通过摩擦学测试，研究了复合材料在不同气氛下与不同对偶材料接触时的摩擦性能。主要结论：1、GO/MoS2/H-DLC三元复合材料在惰性气体中成功实现了近无摩擦状态，并且在活性气氛中也表现出超低摩擦。这主要归功于在滑动界面形成了稳定的转移膜，有效降低了摩擦系数。2、通过摩擦界面的结构分析，证实了在H-DLC薄膜和GO/MoS2转移膜之间发生的滑动，并且这种转移膜的形成有效防止了H-DLC薄膜的磨损。3、通过分子模拟计算，进一步验证了GO在促进MoS2在对偶材料表面形成稳定转移膜中的关键作用，为在多种气氛下实现超低摩擦提供了理论支持。 文章信息：1、Guomin Yu, Wenjing Chen, Han Wang, Wenyue Tang, Zhenbin Gong, Junyan Zhang. The establishment of superlubricity in engineering field for H-DLC composite in multi-environments[J]. Carbon, 2024, 119621, ISSN 0008-6223.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119621.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622324008406)2、作者团队来自中国青海大学盐湖化工研究院和中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室。
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成果名称：低表面能涂层

合作方式：技术开发

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