基于二维共价有机骨架体系的界面摩擦机制及超滑调控研究

With the rapid development of Micro/Nano-Electro-Mechanical Systems and material science in recent years, as a new type of functional interfacial material, 2-D covalent organic frameworks (COFs) system has drawn extensive attention of researchers in various fields. Compared with traditional 2-D layered lubricating materials such as graphene, 2-D COFs system could achieve controllable molecular structures and is easy to be functionalized. Therefore, it is of great significance to explore the nature of interfacial friction and superlubrication mechanism based on 2-D COFs system. Moreover, it could provide theoretical basis for illustrating the relationship between frictional energy dissipation and molecular structures. This project would firstly conduct the functional modification of 2-D COFs system, and build various interfacial assembly structures based on the intermolecular interactions (including the regulation of host-guest structures). Afterwards, interfacial tribological properties would be systematically studied to analyze the relationship between tribological properties and molecular structures/intermolecular interactions. Moreover, the frictional energy dissipation mechanisms under different physical fields would be investigated, and the regulation of interfacial lubricating behaviors based on molecular structures transformation would be achieved. Based on the above, this project could provide theoretical and technical basis for the superlubrication mechanisms and frictional energy dissipation routes. It has important theoretical value and practical reference for critical problems in interfacial structural superlubrication.

随着近年来微/纳机电系统和材料科学的迅猛发展，二维共价有机骨架体系作为新型功能性界面材料，引起各个领域研究人员的广泛关注。相比石墨烯类传统二维层状润滑材料，该体系具有分子结构可调控且便于功能化等优势，因此探索该体系界面摩擦本质和超滑机理具有非常重要的意义，同时也为深入阐释摩擦能量耗散与有机分子结构之间的关系奠定理论基础。本项目首先对二维共价有机骨架分子体系进行功能性修饰，利用分子间相互作用构筑各种界面组装结构（包括主客体结构调控等），系统开展界面摩擦学特性研究，分析其摩擦学特性与分子结构和分子间作用力之间的关系，考察不同物理场下摩擦能量耗散机制，实现利用分子结构变化调控界面润滑行为。在此基础上为界面共价有机骨架分子超滑机制和摩擦能量耗散通道提供理论和技术依据。本项目研究对界面结构超滑中的关键问题具有重要的理论价值和实践参考。

本项目主要围绕二维材料的超滑行为、机理及调控开展研究，取得了如下创新性成果：.（1）选取共价有机骨架、液晶分子、主客体组装、富勒烯衍生物四类有机分子自组装体系为研究对象，探索组装结构形成规律和分子相互作用机制，同时对组装体系的纳米摩擦学特性进行探究，进而从分子原子尺度上揭示组装结构与摩擦特性之间的关联，形成纳米尺度的摩擦学理论研究体系；.（2）通过变换金属节点和有机配体设计出五种具有方格结构的同系有机杂化分子，利用密度泛函理论（DFT）模拟和原子级粘滑实验表明其分子内部配位稳定性是决定其界面摩擦能量耗散通道的关键所在，并成功制备出新型固体超滑材料，其摩擦学性能优于高定向热裂解石墨（HOPG）一个数量级。研究成果形成了系统的有机固体润滑材料研究体系，将固体超滑领域从无机材料拓展到有机分子以及有机杂化结构体系，为实现固体超滑从微观机理到宏观应用的跨越提供理论指导；.（3）通过功能分子组装改善类水滑石材料表面及离子液体的微观结构和性质，研究两者之间的相互作用机制及协同效应，建立功能可控的液体超滑体系，并结合第一性原理仿真计算和宏观摩擦磨损实验对其能量耗散和摩擦学性能进行研究，最终获得液体超滑体系设计的有效方法；.（4）建立纳米级润滑膜测量偏振拉曼系统和同步辐射X射线全反射原位剪切测量系统，应用于固液界面动态剪切过程中分子级微观排列结构表征，明确宏观摩擦学行为与微观分子构型及界面排列结构乃至摩擦能量耗散通道间映射关系，揭示固液剪切界面结构-超滑协同作用机制。.在Nano today（IF：20.722）、Chemical Engineering Journal（IF：16.744）、ACS Applied Materials&Interfaces（IF：10.383）、Nano Research（IF：10.269）等国际主流学术期刊上发表论文40篇，其中40篇已被SCI检索。申请发明专利6项，其中已授权6项。全国会议特邀报告1次。项目负责人刘宇宏获荣获北京市自然科学二等奖（排名1）和中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖。项目参与人获“国际材料大会-先进和新兴材料”最佳口头报告等奖励。