原位构建钛-MXene纳米膜实现超薄范德华润滑剂的跨尺度超润滑性能

为解决极端工况下二维材料润滑性能退化问题，研究人员通过原位化学键合策略开发出Ti/Ti3C2Tx杂化纳米膜。该材料在10 GPa接触压力和573 K高温下仍保持0.01超低摩擦系数及10-9 mm3/Nm级近零磨损率，突破了传统固体润滑剂在高压高温环境的应用瓶颈。

　　

在现代机械系统中，摩擦磨损如同无形的能量黑洞，每年吞噬着全球约四分之一的能源，并产生大量温室气体。尽管石墨烯、MoS₂等二维材料曾带来超润滑（superlubricity）的希望，但它们在纳米尺度接触中面临严峻挑战——极端压力会导致晶格失配，高温会加速氧化降解，使得摩擦系数（COF）从理想的10^-3急剧恶化至10^-1。特别是新兴的MXene材料，虽然其表面可调的过渡金属碳化物结构（如Ti₃C₂T_x）展现出优异的剪切性能，但在超过1.5 GPa的压力或373 K温度下，仍会因摩擦化学反应产生不可控的氧化层。

香港城市大学（City University of Hong Kong）和中国科学院兰州化学物理研究所（Lanzhou Institute of Chemical Physics, CAS）的研究团队另辟蹊径，通过聚合物表面屈曲辅助剥离技术（PSBEE）创造出革命性的钛-MXene杂化纳米膜。这种厚度不足50 nm的材料在《Materials Today》发表的研究中展现出惊人性能：不仅能在573 K高温和10 GPa超高接触压力下维持0.01的COF，其磨损率更是低至10^-9 mm³/Nm量级，实现了从纳米到宏观尺度的跨尺度超润滑。这相当于在指甲盖大小的面积上承受100吨重压时，仍能保持近乎零磨损的完美润滑状态。

关键技术包括：聚合物表面屈曲辅助剥离（PSBEE）制备大面积纳米膜、原子力显微镜（AFM）纳米压痕摩擦测试、原位透射电镜观察摩擦界面演变，以及多尺度分子动力学模拟。研究人员特别设计了钛合金、不锈钢和聚四氟乙烯（PTFE）三种典型工程材料的摩擦学验证体系。

【Results and Discussion】

通过AFM三维形貌表征证实，纳米膜表面粗糙度低于1 nm，这种原子级平整度是实现超润滑的基础。X射线光电子能谱（XPS）揭示出Ti-Ti₃C₂T_x异质结构中存在独特的化学键合，这种0D/0D杂化构型突破了传统二维材料必须保持晶格失配的限制。

【Sample preparation】

采用11 wt%聚乙烯醇（PVA）水凝胶作为剥离介质，通过控制离心速度在1500 rpm下获得厚度30-50 nm的自支撑膜。关键突破在于原位形成的Ti₃C₂T_x纳米晶被金属Ti基体约束，这种"纳米笼"效应既阻止了MXene的过度氧化，又通过碳迁移形成自修复保护层。

研究最重要的发现是摩擦过程中MXene分解触发的双重保护机制：一方面，释放的碳原子填充表面缺陷；另一方面，可控的纳米氧化生成超薄TiO_x钝化层。分子模拟显示这种结构使摩擦化学反应能垒降低67%，解释了为何在473-573 K高温下仍能保持稳定润滑。

这项研究颠覆了"超润滑必须依赖范德华层间滑动"的传统认知，开创性地证明化学键合异质结构同样能实现跨尺度超低摩擦。其意义不仅在于开发出可应用于航空航天发动机极端工况的润滑材料，更启示了通过可控摩擦化学反应设计新一代智能润滑系统的可能。专利申报中的技术路线显示，该纳米膜可通过弹性毛细转移（elasto-capillary transfer）技术涂覆于人工关节等生物医用器件，为解决植入体磨损难题提供新方案。