科创中国

摩擦无处不在，通过对摩擦的调控，人类实现了形形色色运动的状态控制。固体表面的摩擦调控更是人们长期追寻的目标，科研人员甚至已经考虑从润滑膜的分子尺度组装来实现界面超润滑。清华大学李群仰研究团队的AMS工作深入研究了有机分子在固体表面上的自组装行为，以及自组装结构与摩擦性能之间的关系。以此为基础，实现了可控的分子薄膜结构自组装，获得了固体表面摩擦的分子尺度调控。(魏宇杰）

Citation

Di, Y., Zhang, S., Feng, XQ. et al. Tuning frictional properties of molecularly thin erucamide films through controlled self-assembling. Acta Mech. Sin. (2021). 

https://doi.org/10.1007/s10409-021-01122-x

研究背景

实现固体表面摩擦的调控一直是人们长期追寻的目标。最近，利用有机分子在液体中的自组装效应制备超薄（甚至单分子层）薄膜为界面润滑提供了一种新思路。然而，如何在不同固体表面形成纳米结构可控、摩擦性能可调的自组装薄膜是一个具有挑战性的问题。本文主要研究了有机分子在固体表面上的自组装行为以及自组装分子薄膜的摩擦力学调控问题。

研究进展

本文以芥酸酰胺分子为例，探究了有机分子在四种典型固体表面（包括金属、陶瓷、氧化物和层状材料）的自组装行为，并通过原子力显微镜对自组装单分子薄膜进行了高分辨的形貌和摩擦性能表征。实验结果表明自组装膜的表面摩擦与其分子排列构型密切相关：当自组装薄膜分子处于有序“直立”状态时，表面呈现出原子级光滑的表面形貌，且具有超低的摩擦性能；而当自组装薄膜分子处于“躺平”状态时，表面呈现出条纹状图案，且表面摩擦耗散显著增大。本文进一步提出了有机分子自组装形态主要取决于固体表面与分子吸附力作用的机制；并基于此，通过对表面进行合理的官能化，选择性诱导了有机分子的自组装过程，实现了固体表面摩擦的主动和图案化调控。

图1 有机分子自组装薄膜的两种典型结构及其对应的摩擦响应

未来展望

本文揭示了有机分子自组装薄膜的分子排列构型对表面摩擦性能的调控机制，提出了一种通过控制分子-固体作用力来调控自组装薄膜构型的方案，为设计和制备分子级超薄固体润滑材料提供了一种新的思路。

基金资助

本研究由国家自然科学基金（11772169，12025203和11921002）以及清华大学摩擦学国家重点实验室自由探索基金（SKLT2019B02）资助。

通讯作者介绍

李群仰：清华大学工程力学系教授、博导。现任清华大学航天航空学院副院长、中国力学学会副秘书长、《Journal of Micromechanics and Molecular Physics》、《Acta Mechanica Sinica》、《Frontiers of Mechanical Engineering》、《实验力学》编委。主要从事多尺度物体表面接触与摩擦问题的研究：通过利用和发展微纳米尺度实验表征手段，探究材料在小尺度上表面力学行为和机理，揭示宏观尺度接触和摩擦等力学行为的微观机制。先后主持了基金委面上项目、优秀青年基金、杰出青年基金、科技部重大科学研究计划课题等项目。