Nature：來自潤滑油的碳基摩擦膜

每年，交通工具要消耗世界上19%的能源，排放的溫室氣體占總量的23%。隨著運輸需要的進一步提高，這項數據無疑將繼續激增，給可持續交通帶來更多挑戰。目前，對車輛高效率的追求和新出臺的排放標準是驅動清潔、省油潤滑油的主要力量。科學家們做出了大量的研究以降低潤滑油粘度，并探索取代二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)和其他含硫酸化灰分、磷和硫(SAPS)的添加劑的新方式，尋求環境友好型的潤滑油代替物，如無機納米粒子、離子液體及涂層。人們希望進一步減少使用排放有害物質的添加劑，但與此同時還要確保摩擦和磨損性能不受影響。

今天，月亮會給大家介紹一種新設計合成的納米催化活性薄膜，這是一種由過渡金屬（如鉬、釩）氮化物和金屬銅作為催化劑生成的薄膜，以下將以MoN x –Cu涂層為例進行介紹。

圖1 MoN x –Cu納米復合物涂層結構

a. 聚離子事MoN x –Cu試樣橫向TEM圖，涂層壓緊厚度約600 nm。鋼材上方又薄又黑的片層為涂層與基底層（厚60nm ）之間的鉬粘合層，涂層之上的片層為需要離子束加工的鉑保護層。

b. 頂層表面局部高分辨率TEM圖像，圖示MoN x –Cu薄膜晶粒尺寸不足10 nm。插圖為多晶結構衍射圖譜。δ -MoN x為六方結構，γ -MoN x則為立方結構。

c. 薄膜Cu–K、Mo–K邊緣EDS元素映射圖像，證實了銅團簇的存在，灰色圖像為STEM圖像。

圖2 有MoN x –Cu涂層和PAO 10潤滑油鋼球的摩擦磨損行為，及與未加涂層但有PAO 10潤滑油和涂有5W30潤滑油試樣的對比

a. 摩擦系數對比;

b. 橡膠球頂層表面顯微照片，顯示出3項測試的不同結果;

c. 下圖為曲線圖及3D圖像，更清晰地顯示出磨損狀況。MoN x –Cu涂層的鋼球磨損狀況未能測定，涂有PAO 10潤滑油的鋼球磨損最為嚴重，10小時的測試后上部已磨平，顯示出拋光磨痕。涂有5W30潤滑油的鋼球磨損狀況較較涂有PAO 10潤滑油的鋼球好。

圖3 涂有PAO 10潤滑油，有涂層和沒有涂層鋼球產生摩擦的拉曼光譜

a. 黑色碎片區域，即MoN x –Cu 涂層鋼球磨痕邊緣的UV拉曼(325 nm)光譜；磁控濺射產生的固態、類金剛石薄膜(DLC)；熱解石墨（僅用作參照）。D、G帶的積炭情況與參照石墨位置相近；G密度的峰值及峰值寬度定性地說明積炭為無定型碳。

b. 52100鋼試樣灰色碎片磨痕附近的可見拉曼光譜，與Fe 2 O 3（僅作參照）粉末光譜類似，有多個拉曼光譜帶相互對應。

圖4 TEM試樣制備與測試結果

a. MoN x –Cu涂層鋼球磨痕區域SEM圖像；紅色箭頭所指為富碳碎片

b. 使用鎢探針聚集離子束聚集的富碳碎片

c. 高清碎片邊緣圖像，陰影區域為納米晶體和多層碳；電子衍射證實了摩擦膜的無定形性質

圖5 MoN x –Cu摩擦膜微觀形成機制

a-c AIMD表明了銅的催化作用，脫氫并將線性烯烴分解為短鏈烴;

d-f 根據活性分子動力學模擬預測的類似反應通路。最終結果是脫氫短鏈烴重新形核成為堅實的無定形碳摩擦膜。模擬表明摩擦膜機制在表面受到抑制，形成碳化物;

g,h 活性分子動力學模擬的圖像表明，兩個形成碳化物的表面沒有形成摩擦膜。雖然滑動的鉬表層沒有顯示出烯降解傾向，溫度為1,000 K時的催化反應緩慢，摩擦膜形成緩慢。摩擦膜的EELS光譜圖像與高取向熱解石墨圖像對比，表明薄膜主要成分為石墨碳;

綜上，目前已催化活性涂層能夠使潤滑油形成固態摩擦臘，保護滑動表面，防止其摩擦和磨損。上述理念能夠適用于重新設計體材料，將其與催化金屬結合，形成類似的碳基摩擦膜。

文獻鏈接：Carbon-based tribofilms from lubricating oils（Nature, 2016, DOI:?10.1038/nature18948)

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