综述：摩擦学中的碳点

《Nano Materials Science》：Carbon dots in tribology

高性能润滑剂的开发对减少摩擦和磨损至关重要，而碳点（CDs）因其独特性质成为理想候选。本文系统综述了CDs的合成方法（“自上而下”与“自下而上”途径）、表面修饰（离子液体、聚电解质、两性离子）、异原子掺杂（N、S、Zn等），以及构建纳米流体和复合纳米粒子。应用涵盖润滑剂（直接作为润滑剂）、添加剂（协同效应提升摩擦学性能）、涂层（增强表面保护）和人工关节润滑（兼具生物相容性）。机制包括微轴承效应、表面修复、保护膜形成及协同作用。未来需突破规模化制备、深化机理研究、拓展微纳应用及多功能集成。

　　碳点（CDs）作为一类具有独特物理化学特性的新型纳米材料，其在摩擦学领域展现出广阔的应用前景。随着全球对碳排放峰值和碳中和目标的重视，开发高性能润滑材料成为减少摩擦和磨损、提升设备运行效率的重要手段。碳点凭借其超小尺寸、可调控的表面性质、优异的生物相容性、良好的分散性和稳定性，逐渐成为摩擦学研究的热点。本研究系统综述了碳点及其复合材料的合成策略和在摩擦学中的应用，分析了其润滑机制，并展望了其未来的发展方向。

### 1. 摩擦与磨损的重要性
摩擦和磨损是机械运动中普遍存在的现象，不仅影响设备的运行精度和使用寿命，还导致运营成本的增加。据统计，全球约三分之一的初级能源消耗在这一过程中被浪费，因此，开发高性能润滑材料对于实现碳排放目标具有重要意义。传统的润滑剂如二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）虽然具有优异的摩擦减少性能和防止金属表面磨损的能力，但其含有的硫、磷和重金属等成分难以满足环保要求，且可能对机械设备的金属部件产生腐蚀效应。因此，研究和开发新型绿色润滑材料成为当前摩擦学领域的重要课题。

### 2. 碳点的合成策略
碳点的合成方法主要分为“自上而下”和“自下而上”两种。
- **自上而下**：通过物理或化学手段将大尺寸的碳材料分解为纳米尺度的颗粒。此方法的核心在于破坏碳材料的宏观结构，通常使用具有sp2杂化结构且无有效带隙的碳前驱体（如石墨或碳纳米管）。常用的技术包括激光烧蚀、电弧放电、氧化酸处理、电化学刻蚀和超声波辅助剥离等。这种方法得到的碳点具有尺寸分布窄、尺寸可控性强等优点，但受限于前驱体的结构，导致表面功能基团的种类和数量有限，需要进一步的后修饰以提高其性能。
- **自下而上**：通过直接热解、溶剂热、水热和微波辐射等方法，从小分子或大分子前驱体合成碳点。此方法在材料化学中具有显著优势，操作简便、成本低且易于实现大规模生产。前驱体可以是小分子、大分子或生物质材料。其中，直接热解前驱体或前驱体溶液在空气或惰性气体环境中是目前最常用的方法。通过优化浓度、温度、时间和溶剂等参数，可以制备出性能优异的碳点。例如，通过调整柠檬酸的碳化程度，可得到碳点、氧化石墨烯（GO）和柠檬酸与碳点的混合物。水热合成是另一种常见方法，使用水或其他液体作为溶剂，将柠檬酸等前驱体转移到聚四氟乙烯反应器中，高温高压促使前驱体发生缩聚和碳化反应。冷却后，通过分离和纯化得到碳点。微波辐射由于其具有足够的能量，能够有效破坏前驱体的化学键，通过诱导分子振动实现均匀加热，从而高效、经济地制备碳点。该过程简单、直接、快速且环保，能够提高量子产率。

### 3. 碳点的表面修饰
表面修饰是提高碳点与基础润滑液相容性、增强其分散性和储存稳定性的关键策略。通过物理相互作用或化学键合，将目标功能基团引入碳点表面。常见的功能修饰剂包括离子液体（ILs）、聚电解质和聚两性离子等。通过引入这些具有优异摩擦性能的功能基团，碳点能够更容易地吸附在摩擦表面，形成保护性薄膜，从而降低摩擦阻力。例如，将ILs基团接枝到碳点表面，构建具有核心-壳结构的碳点-ILs，使碳点与薄膜润滑产生协同效应。聚电解质通过其带电的聚合物主链和大量可离子化基团，提供了优异的机械、热学和化学稳定性，同时具有低粘度的特性。通过化学接枝策略，可以构建具有核心-壳结构的聚电解质修饰碳点，实现稳定分散。聚两性离子由于其结合了两性离子单元和聚合物骨架，已被用作一种亲水性的聚电解质润滑剂。将碳点与聚两性离子结合，可以提升其在水中的分散性和润滑性能，同时赋予其强水合润滑能力。

### 4. 异原子掺杂碳点
异原子掺杂是提高碳点摩擦性能的常见策略。通过引入氮、硫等非金属元素或金属元素，可以调节碳点的电子特性、表面结构和化学组成。非金属元素如氮和硫对金属具有较强的亲和力，容易在摩擦过程中与金属表面形成配位键，并在界面富集，从而增强润滑效果。金属元素的引入则赋予碳点更高的化学活性，使其更容易形成高质量的摩擦化学薄膜，为摩擦副提供有效保护，同时保持低摩擦和磨损。例如，氮和硫掺杂的碳点（N,S-CDs）在摩擦过程中可以形成稳定的摩擦化学反应膜，同时其碳核可以提供滚动效应，进一步降低摩擦和磨损。

### 5. 碳点纳米流体（NFs）
现代高端工业对高性能润滑的需求日益增加，单一的固体或液体润滑剂往往难以满足要求。碳点纳米流体（NFs）结合了固体和液体润滑剂的优点，成为一种有前景的润滑材料。碳点NFs通过硅烷偶联剂接枝和有机链附着，形成独特的核心-冠-冠层结构。冠-冠层通过空间位阻效应克服纳米颗粒之间的范德华力，形成稳定的分散体系。有机分子链具有良好的与溶剂或聚合物基质的相容性，显著提高了纳米颗粒与基质之间的界面结合力。冠-冠层还能像“溶剂”一样赋予系统液体般的流动性，使碳点保留其原始性能的同时展现出准液体加工特性。因此，碳点NFs可以通过有机链与摩擦副的螯合反应促进保护性转移膜的形成，同时通过碳核的滚动摩擦效应实现摩擦减少和耐磨性提升。

### 6. 碳点基纳米颗粒
纳米材料的界面相容性对于其在基础润滑剂中的分散性和摩擦性能至关重要。许多纳米材料（如二硫化钼（MoS?）、二硫化钨（WS?）、富勒烯、金属有机框架（MOF）、碳纳米管、碳纳米板、碳纳米球和洋葱状碳）因其小尺寸、高耐腐蚀性、形态稳定性、热稳定性以及自润滑效应，在润滑剂添加剂领域展现出卓越的抗磨损和摩擦减少性能。然而，这些材料通常化学惰性较强，分散性差，限制了其实际应用。相比之下，碳点在极性溶剂中展现出优异的分散稳定性，这归因于其高比表面积、超小粒径和丰富的含氧官能团。通过静电相互作用、亲水/疏水特性、物理吸附和氢键等手段，碳点可以作为功能成分构建新型纳米结构材料，显著提升添加剂在基础润滑剂中的分散性、稳定性和摩擦性能。

### 7. 碳点在摩擦学中的应用
自2015年首次应用于摩擦学以来，研究者们不断探索碳点在不同摩擦系统中的应用。碳点因其小尺寸、可调控的表面官能团、良好的分散性和稳定性，能够显著增强基础材料的润滑性能，作为润滑剂、纳米添加剂、润滑剂添加剂促进剂、润滑剂涂层和人工关节润滑剂等。例如，通过将碳点与油酸、多巴胺磺酸盐等结合，可以构建具有优异润滑性能的水基润滑剂添加剂。此外，通过将碳点与离子液体（ILs）结合，构建碳点-ILs复合材料，可以进一步提升其润滑性能。碳点作为润滑剂添加剂时，其表面丰富的官能团可以与摩擦副发生吸附作用，形成保护性薄膜，从而显著降低摩擦系数和磨损率。

### 8. 碳点的摩擦机制
碳点的摩擦机制涉及多种协同效应。首先是微轴承理论，即碳核在摩擦副表面起到滚动轴承的作用，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而减少能量损耗。其次是碳核的抛光和修复效应，通过在摩擦过程中与摩擦副表面发生相互作用，碳点可以填充表面的不平整区域，减少摩擦接触面积，降低摩擦阻力。第三是摩擦化学膜的形成，碳点通过与摩擦副发生化学反应，在接触区域形成具有保护作用的摩擦化学膜，从而减少直接接触。此外，碳点的表面官能团还能通过吸附作用形成保护层，降低摩擦副的直接接触。值得注意的是，碳点的优异摩擦性能并非来源于单一机制，而是多种机制的协同作用，包括微轴承效应、抛光效应、修复效应和摩擦化学膜形成等。因此，在实际应用中，需要根据具体场景进行综合分析。

### 9. 未来发展方向
尽管碳点在摩擦学领域已取得显著进展，但其在该领域的研究仍处于初级阶段。未来的发展方向包括：
1. **开发高效、低成本的碳点大规模制备方法**：目前碳点的产率普遍较低，且相应的制备技术仍处于实验室阶段，限制了其在摩擦学中的实际应用。因此，探索新的合成方法或优化现有技术，以实现高纯度、均匀尺寸、可控形貌、低成本和高产率的碳点制备，是推动其商业化的重要途径。
2. **深入研究摩擦机制和结构-性能关系**：虽然通过调控碳点的尺寸、形貌和表面官能团可以提升其润滑性能，但不同合成工艺、表面化学性质和测试方法可能导致其性能与摩擦机制之间的关系发生变化。因此，利用先进的表征技术和计算方法，如分子动力学模拟、第一性原理计算和有限元分析，可以更深入地理解碳点的摩擦机制及其结构-性能关系，从而开发出具有理想摩擦性能和环境友好性的润滑剂。
3. **拓展碳点润滑材料的应用场景**：碳点的超小尺寸使其在基础润滑液中具有良好的分散性和长期稳定性，但这也限制了其抗磨损能力的上限。随着微纳米机电系统（如微机器人、精密定位装置和纳米传感器）的快速发展，对界面解决方案的需求日益增长。通过调控界面化学和纳米级表面工程，可以同时提升碳点润滑材料的抗磨损能力和减少摩擦副之间的粘附和摩擦力，从而提高设备的可靠性和耐久性。
4. **开发多功能碳点**：现代润滑剂越来越多地要求高性能和多功能性，通常需要添加抗氧化剂、腐蚀抑制剂和稳定剂等。然而，多种添加剂的组合可能导致性能竞争，影响整体效果。目前已有大量关于多功能碳点的研究，尤其是在生物医学工程领域。通过调控表面官能团，可以构建具有多种性能的碳点，如抗摩擦、抗磨损、抗氧化、抗爆震、抗腐蚀、低温和高温性能等，这为未来研究提供了广阔的方向。

综上所述，碳点在摩擦学领域展现出巨大的潜力。其优异的物理化学性质和可调控的表面官能团，使其能够作为润滑剂、添加剂、涂层和人工关节润滑剂，有效降低摩擦和磨损。未来，随着合成技术的进步和摩擦机制的深入研究，碳点有望成为新一代绿色高效润滑材料的核心组成部分。