QSense QCM-D揭示多齿氢键半固态油基润滑剂的稳定吸附与宏观超润滑机制

中科院兰州化物所刘建/张立强团队 Advanced Functional Materials：应用QSense QCM-D揭示多齿氢键半固态油基润滑剂的稳定吸附与宏观超润滑机制

论文题目：Multidentate Hydrogen-Bonded Semisolid Oil-Based Lubricants for Durable Macroscale Superlubricity Across Ambient and Vacuum Environments

研究背景：液体超润滑为何仍难走向严苛工况

摩擦与磨损广泛存在于机械传动、精密制造和空间装备中，不仅造成能量损失，也会缩短部件寿命。通常将摩擦系数低于0.01的状态称为宏观超润滑。液体润滑剂能够快速铺展并形成界面保护层，但在长期运行、垂直表面或真空环境中，往往面临爬移、泄漏和挥发等问题；传统润滑脂虽然不易流失，却可能因高黏度和较大剪切阻力而难以进入超润滑区间。

如何兼顾“液体的低剪切"和“固体的形态稳定"，成为油基超润滑材料设计中的关键矛盾。中国科学院兰州化学物理研究所联合兰州大学等单位，以油酸（OA）为基础油、以含多个羟基位点的山梨醇酐单硬脂酸酯（SP60）为结构调节剂，通过可逆多齿氢键构筑OA–SP60半固态润滑剂，试图在常压和高真空条件下同时获得低摩擦、抗磨损、抗泄漏和长寿命。

研究方法：从分子组装、流变性能到摩擦界面逐层验证

研究人员采用简便热处理制备OA–SP60：加热促进组分均匀混合，冷却后由多位点氢键与疏水相互作用共同形成可逆分子簇和半固态网络。傅里叶变换红外光谱用于追踪羟基、羰基相关峰位变化；流变测试则考察储能模量、损耗模量、剪切变稀、触变恢复及温度响应，以判断材料在静置与受剪状态之间能否实现可逆切换。

在宏观性能层面，团队以AISI 52100轴承钢球与PTFE为摩擦副，对比干摩擦、纯OA及不同SP60含量的OA–SP60，系统评估载荷、速度、温度、循环次数和约3×10^-3 Pa真空环境的影响。FIB–TEM、元素分析和XPS用于观察磨痕上的纳米级摩擦膜及其化学组成，接触角表征润湿铺展。DFT与分子动力学模拟进一步解析OA与SP60的优势氢键构型、在铁基底上的吸附以及钢—PTFE界面内的协同组装。

值得关注的是，作者使用QSense Analyzer（现QSense产品体系）开展耗散型石英晶体微天平（QCM-D）测试，并选用 Fe₂O₃ 表面芯片模拟钢表面的氧化层。实验以纯OA建立基线，依次通入1 wt.%或5 wt.% SP60/OA，再用纯OA冲洗。频率变化反映界面耦合质量的改变，耗散变化补充吸附层黏弹性与结构响应信息；冲洗后的残留信号则用于判断吸附层是否只是弱吸附，还是具有稳定锚定。

实验结果与分析：多齿氢键将低摩擦与形态稳定连接起来

光谱与理论计算表明，OA的羧基可同时充当氢键供体和受体，SP60的多羟基骨架则提供多个协同位点。低能构型中，优势分子簇占比约85.4%，说明体系并非依赖单一、偶然的氢键，而是形成具有方向性和协同性的多齿结合。材料低温时呈固态主导的半固体特征，升温后可发生溶胶—凝胶转变；在高剪切下黏度下降，停止强剪切后又能较快恢复。这种“静置时稳、滑动时软"的响应，为防止爬移泄漏并降低界面剪切阻力提供了基础。

摩擦实验中，干摩擦的稳定摩擦系数约为0.12，纯OA虽可明显减摩，但OA–SP60表现更突出：最佳体系的摩擦系数降至0.006，达到宏观超润滑；磨损率约为5.1×10^-6 mm³·N^-1·m^-1，相较干摩擦降低95.4%。在合适载荷与速度窗口内，多种SP60浓度均可进入超润滑状态，其中30 wt.%兼顾低摩擦和结构适应性。体系可稳定运行超过100,000个循环，显示其并非短时“低谷"，而是能够维持的界面状态。

真空往往会削弱依赖水化层的润滑机制，并放大润滑剂挥发和流失问题。OA–SP60在约3×10^-3 Pa下仍保持约0.007的摩擦系数，100,000次循环内持续处于超润滑区间；真空放置36 h后的质量损失仅0.09%。这说明其超润滑并不依赖环境水分，多齿氢键稳定的半固态网络也有效提升了真空适应性。

QSense QCM-D的关键作用：把“形成润滑膜"转化为可量化的吸附证据

FIB–TEM在钢球磨痕处观察到约4–5 nm厚的均匀摩擦膜，XPS和接触角结果也支持OA–SP60在钢和PTFE表面具有更好的铺展与界面作用。不过，这些表征主要给出摩擦后的终态或宏观润湿结果。QSense QCM-D则在受控流动和冲洗过程中实时记录吸附—解吸过程，使“SP60是否增强分子在氧化铁表面的锚定"可以直接比较。

图1  磨痕界面与QCM-D吸附表征。j–l为QSense QCM-D相关结果：纯OA基线后通入1 wt.%或5 wt.% SP60/OA，再以纯OA冲洗；同时比较吸附质量、残留质量及频率变化

QCM-D结果显示，随着SP60含量由1 wt.%提高到5 wt.%，吸附量由约280 ng·cm^-2增至约845 ng·cm^-2，接近前者的3倍。更关键的是，经纯OA冲洗后，1 wt.%体系仅保留约23.5 ng·cm^-2，而5 wt.%体系仍残留约387.0 ng·cm^-2。对应频率变化分别约为−30.8 Hz和−74.46 Hz；高浓度体系冲洗后仍保持明显信号，表明其形成的不是易被带走的松散覆盖层，而是由氢键组装体强化的稳定吸附层。

图2  OA–SP60体系的QCM-D耗散变化（ΔD）。5 wt.% SP60/OA产生更显著且冲洗后仍保留的耗散响应，说明界面层具有更高的耦合质量与黏弹性结构贡献。

因此，QSense QCM-D在本文中的价值并不是简单“测了吸附量"，而是补齐了机理证据链：浓度升高带来更大的吸附质量和频率响应；纯OA冲洗区分弱吸附组分与稳定残留层；耗散信号揭示吸附层并非理想刚性薄膜，而具有可观的黏弹性响应。结合FIB–TEM观察到的纳米摩擦膜、XPS化学信息以及DFT/MD模拟，研究得以从动态界面层面说明，多齿氢键促使OA–SP60分子簇牢固锚定在固体表面，并在滑动过程中维持连续、低剪切的润滑界面。需要强调的是，QCM-D使用Fe₂O₃芯片作为钢氧化表面的模型，它验证的是静态流动条件下的界面吸附与冲洗稳定性；真实摩擦接触中的膜厚、承载和演化仍需与摩擦学及显微表征联合解释。

结论与展望

该研究以可逆多齿氢键为设计核心，将油酸的流动与润滑能力、SP60的多位点组装能力结合起来，获得了兼具剪切变稀、触变恢复、抗爬移和真空稳定性的半固态油基润滑剂。体系在钢—PTFE界面实现0.006的超低摩擦系数、95.4%的减磨幅度及超过100,000次循环的稳定运行，并在高真空下保持超润滑。QSense QCM-D提供的动态吸附、冲洗残留和耗散数据，是证明“氢键组装增强界面锚定"的关键定量依据。

未来工作可进一步面向工程化验证：一是扩展至钢—钢、陶瓷—金属等更高接触压力的摩擦副；二是考察更宽温区、辐照、复杂气氛和长周期启停后的结构恢复；三是利用不同表面化学的QCM-D芯片及原位摩擦耦合技术，建立吸附层质量、黏弹性、摩擦膜演化与宏观摩擦系数之间的定量关联；四是评估原料批次、氧化稳定性、密封兼容性和规模化制备，为真空装备、精密机械与空间运动部件应用奠定基础。

基金支持

本研究获得山东省重点研发计划（SYS202203）、国家自然科学基金（52275219、52305233）、甘肃省自然科学基金（23JRRA610）、山东省自然科学基金（ZR2024QE264）、山东省自然科学基金青年项目（ZR2025QC1124）、青岛市自然科学基金（25-1-1-97-zyyd-jch）以及国家资助博士后研究人员计划（GZC20250930）支持。

原文链接

DOI： 10.1002/adfm.77768