清华新闻网8月19日电 目前已报道的微观摩擦机制大多数与润滑材料的本征结构参数有关，例如表面变形能力（褶皱）、粘附、环境化学反应性等等。但目前所使用的润滑材料无法同时克服这些摩擦机制来实现最优性能。传统材料分类中无机材料表面刚度大，变形能力弱，但是其固有表面能高，从而导致了较高的粘附。聚四氟乙烯（PTFE）等有机聚合物材料固有表面能低，粘附低，但是表面刚度小，变形能力强。碳材料相较于无机材料和高分子材料来说各项属性居中，所以HOPG是目前最优异的润滑材料之一，但是阻碍它性能进一步提升的仍然是面外变形和环境化学等因素。而新兴的无机有机杂化材料填补了传统上无机材料和有机材料之间的空白区，并且可将无机材料和有机材料的优势集于一身。因此对无机有机杂化材料的摩擦学研究具有重要意义。
近日，由清华大学机械工程系刘宇宏副教授与南京大学化学化工学院马晶教授合作的科研团队对金属有机框架（MOFs）这一代表性的无机有机杂化材料进行了微观摩擦学研究。研究结果证实了无机有机杂化的结构优势，其摩擦系数可降至高定向裂解石墨（HOPG）的1/6，其粘附力可降至HOPG的1/2。另外MOFs由于其组成单元丰富的特点，其性能可实现大范围的调节，例如摩擦系数可实现一个数量级的变化。密度泛函理论（DFT）研究表明了摩擦学性能与配位稳定性之间的关系。晶体场理论通过完美的预测MOFs的配位稳定性进一步可准确预测其摩擦学性能，从而构效关系得以建立。

图1.不同组成单元的MOFs的表面摩擦系数与粘附力

图2. MOFs表面摩擦来源与构效关系
该成果近期发表于国际学术期刊《今日纳米》（Nano Today），题为“具有方格结构的二维金属有机框架材料：一种有前景的新一代超滑材料”（2D metal-organic frameworks with square grid structure: A promising new-generation superlubricating material）。论文第一作者为清华大学机械系博士生刘磊，共同通讯作者为机械系刘宇宏副教授和南京大学化学化工学院马晶教授。该项目受到国家自然科学基金的支持。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013221001870
供稿：机械系
编辑：李华山
审核：吕婷
2021年08月19日 11:38:18