烷基没食子酸酯添加剂在水基润滑剂中的减摩抗磨机制研究及其绿色摩擦学应用

为解决水基润滑剂在低速工况下摩擦系数过高的问题，研究人员通过引入环保无毒的烷基没食子酸酯（如月桂基没食子酸酯LG），结合实验与分子动力学模拟（MLIP-DFT），成功实现摩擦系数稳定在0.04且零磨损。该研究揭示了长链烷基（≥C8 ）通过形成化学吸附自组装单层（SAM）分离金属界面的关键机制，为开发高性能绿色润滑剂提供了新策略。

　　

在工业领域，传统油基润滑剂易燃、污染环境的缺陷日益凸显，而水基润滑剂虽具高比热容和非燃性优势，却在低速条件下因摩擦系数（CoF）骤增难以广泛应用。尤其当滚动速度低于150 mm/s时，由聚亚烷基二醇（PAG）、水和二甘醇组成的低粘度体系无法维持超润滑状态（CoF≤0.01）。这一瓶颈促使科学家寻求新型添加剂——烷基没食子酸酯因其天然来源、低毒性和抗氧化特性进入视野，但其分子结构与润滑性能的关联机制尚不明确。

为破解这一难题，来自某研究机构（原文未明确标注国别）的团队在《Materials Today Nano》发表研究，通过实验与机器学习势函数分子动力学（MLIP-MD）模拟相结合，揭示了烷基没食子酸酯的减摩机制。研究发现，添加1%月桂基没食子酸酯（LG）可使CoF稳定在0.04且实现零磨损，而烷基链长度≥C₈
是激活其性能的关键。

研究采用四项核心技术：1）往复摩擦试验和微牵引力测试（MTM）评估不同烷基链长度（C₃
-C₁₂
）没食子酸酯的摩擦学性能；2）X射线光电子能谱（XPS）和俄歇电子能谱（XAES）分析表面化学组成；3）原子力显微镜（AFM）观测纳米级摩擦斑块；4）基于密度泛函理论（DFT）和深度势能（DeepPot-SE）的MLIP-MD模拟，首次实现千原子级体系在GPa载荷下的动态摩擦过程模拟。

3.1 往复滑动测试中的性能差异
实验显示，短链没食子酸酯（如C₃
的PG）仅短暂降低CoF至0.12，而C₈
（OG）和C₁₂
（LG）分别将稳态CoF降至0.06和0.04。XAES证实LG的-(CH₂
-CH₂
)_n
-特征峰（261.2 eV）在摩擦后保留，AFM则发现LG形成的纳米斑块摩擦信号（0.054 V）低于OG（0.065 V），与其更低的宏观CoF一致。

3.2 宽速域润滑性能验证
MTM测试表明，添加0.1% OG/LG的"331"溶液在250 mm/s高速下保持CoF<0.003，低速区（≤30 mm/s）形成平台状Stribeck曲线。相较基础液在10 mm/s时CoF飙升至0.18，OG/LG体系表现出优异的工况鲁棒性。

3.3 DFT揭示分子吸附机制
DFT计算发现，没食子酸酯在Fe(110)表面通过OH键断裂形成Fe-O-C化学桥（吸附能提升至-3.5 eV/分子），迫使芳香环垂直取向。长链分子（如LG）因烷基间vdW作用力增强，在覆盖率66%时仍能维持有序单层结构。

3.4 MLIP-MD模拟摩擦界面行为
动态模拟显示，LG在2.5 GPa载荷下仍保持16 ?的Fe-Fe间距，其烷基链形成"惰性缓冲层"，使摩擦仅由vdW作用主导。而短链PG因界面氧原子暴露引发化学相互作用，摩擦阻力显著增加。

这项研究开创性地建立了烷基链长度-界面有序性-摩擦性能的定量关系，证实C₈
及以上烷基没食子酸酯可通过"化学锚定-物理缓冲"双机制实现高效润滑。其意义在于：1）解决了水基润滑剂低速高摩擦的行业难题；2）为设计无重金属添加剂提供了分子模板；3）发展的MLIP-MD方法为界面摩擦研究提供了原子尺度动态观测工具。该成果将推动采矿、液压泵等工业领域向绿色化转型，并为抗氧化-润滑双功能材料的开发开辟新途径。