氨基酸类型对水性离子液体润滑剂金属表面吸附及摩擦学性能的调控机制

为解决传统石油基润滑剂环境负担重、水性润滑剂成膜性能差的问题，研究人员通过反应分子动力学(ReaxFF)模拟，系统研究了9种氨基酸离子液体(AAIL)作为水性润滑剂(WBLs)添加剂在Fe2O3表面的吸附行为与摩擦学性能。发现色氨酸(P4444-Trp)因侧链氮原子和大分子结构形成"水合AA-P4444-水合AA"层状结构，摩擦系数(COF)降低最显著，为绿色润滑剂设计提供了分子级指导。

　　

随着全球环保意识提升，开发可持续的绿色润滑剂成为工业界迫切需求。传统石油基润滑剂面临资源枯竭和环境污染的双重压力，而水性润滑剂(WBLs)虽环保却因成膜性能差导致摩擦磨损严重。如何通过分子设计提升WBLs的润滑性能，成为当前研究热点。离子液体(ILs)因其可设计的分子结构和优异的热稳定性被视为理想添加剂，其中氨基酸离子液体(AAILs)更因其生物相容性和结构多样性备受关注。然而，不同氨基酸(AA)分子结构如何影响润滑性能的机制尚不明确，这限制了AAIL WBLs的精准开发。

针对这一科学问题，悉尼大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，通过反应分子动力学(ReaxFF)模拟，系统研究了9种AAIL WBLs在Fe₂O₃表面的吸附与摩擦行为。研究发现色氨酸(P₄₄₄₄-Trp)因侧链含氮原子和大分子结构，能形成独特层状排列，使摩擦系数(COF)较纯水降低达50%，显著优于脯氨酸(P₄₄₄₄-Pro)等小分子AA。该研究首次从原子尺度揭示了AA分子结构与润滑性能的构效关系，为开发高性能绿色润滑剂提供了理论依据。

关键技术包括：1)采用反应分子动力学(ReaxFF)模拟AAIL WBLs在Fe₂O₃界面的动态行为；2)构建包含四丁基膦(P₄₄₄₄)阳离子与9种AA阴离子的润滑剂模型；3)通过剪切模拟计算摩擦系数(COF)；4)分析吸附层结构和元素分布揭示润滑机制。

分子模拟方法论
通过ReaxFF反应力场模拟，克服了传统分子动力学(MD)无法处理界面化学反应的局限。模拟体系包含上下Fe₂O₃板、润滑剂层和周期性边界条件，采用NVT系综进行平衡和剪切模拟。

摩擦系数(COF)
剪切模拟显示，9种AAIL WBLs的COF排序为：P₄₄₄₄-Pro > P₄₄₄₄-Ala > 水 > P₄₄₄₄-Ser > P₄₄₄₄-Lys > P₄₄₄₄-Glu > P₄₄₄₄-Phe > P₄₄₄₄-His > P₄₄₄₄-Gln > P₄₄₄₄-Trp。其中P₄₄₄₄-Trp的COF最低，较纯水降低50%，而P₄₄₄₄-Pro和P₄₄₄₄-Ala甚至劣于纯水。

结论
研究表明，AA阴离子的分子结构是决定润滑性能的关键因素：1)大分子AA(如色氨酸、谷氨酰胺)因空间位阻和氮/氧原子配位能力，能形成有序的"水合AA-P₄₄₄₄-水合AA"层状结构，兼具高负载能力和流动性；2)侧链含氮原子可增强界面吸附，而小分子AA(如脯氨酸、丙氨酸)因吸附弱导致润滑失效。该研究不仅筛选出最优AA类型，更建立了分子设计原则，推动绿色润滑剂从经验开发向理性设计转变。

讨论部分强调，AAIL WBLs的性能差异源于界面吸附与体相结构的协同作用。色氨酸的优异表现归因于其吲哚环氮原子与Fe₂O₃的强配位，以及大体积分子形成的空间屏障。未来研究可拓展至其他金属氧化物表面，并探索AAILs在极端工况下的稳定性。这项工作为生物基润滑剂的开发开辟了新途径，对实现碳中和目标下的工业润滑技术升级具有重要意义。