基于离子水化微结构的纳米受限润滑机制的研究

With the rapid development of equipment miniaturization, lubricants which consist of ions and aqueous solution (i.e. Electrolyte aqueous solution; Ionic liquid aqueous solution) have widely potential applications in micro-chemical technology, bio-lubrication and nanoelectrical mechanical systems. However, the influences of lubricant film, solid interfacial properties (roughness, hydrophilicity and surface charge) on the lubrication performance under nanoconfinement are still unclear, severely restricting the related nano-device development. On the basis of our previous systematical investigations of the hydration microstructures, the innovation of this project is to focus on the ionic hydration and treat it as an essential cutting-in point to understand the nanoconfined lubrication mechanism. With the combination of molecular simulation and micro-experiment techniques, the influence factors on the nanolubrication performance under shear will be evaluated and the dependence of ionic hydration microstructures variation and lubrication performance will be investigated. This study aims to shed light on the responsives of friction coefficient and viscosity to the nanoconfined space size and interfacial chemical properties and to illuminate the underlying relation between the ionic hydration microstructure and lubrication at molecular scale, which is essential to explain the unusual phenomenon and to provide theoretical basis for the predictive lubrication modeling under nanoconfinement and design of nanodevice with ultralow friction coefficient. Moreover, this study will provide a novel route to establish the quantitative relationship between ionic hydration variation and lubrication performance under nanoconfinment by using the combination of molecular simulation and experiment techniques.

随着设备微型化的发展，含离子水溶液体系(电解质水溶液、离子液体水溶液)作为润滑液，在微化工、生物润滑、纳米机电系统等方面具有广泛的应用前景。由于纳米受限下膜厚，固相界面性质(几何粗糙度、亲疏水性、界面电荷)等对润滑性能的影响尚不清楚，严重制约相关器件的开发。本项目拟在申请者水化微结构的丰富研究经验基础上，创新地提出以离子水化特征微结构为切入点，以分子模拟为主结合微观实验，分析固液相对运动状态下润滑性能的影响因素；探索离子水化微结构变化与固液润滑性能的依存机制。项目预期将揭示摩擦系数、粘度对固相界面受限尺寸、化学性质等的响应规律，从分子层面深化对离子水化微结构与润滑机制内在联系的理解，解释反常现象，为具有预测功能的纳米受限润滑模型的建立、及低摩擦系数纳米器件的开发提供基础数据和理论依据；同时为利用分子模拟技术与实验结合定量关联纳米受限润滑过程中离子水化微结构变化与性能提供全新可行的技术路线。

含离子溶液体系作为润滑液，在微化工、生物润滑、纳米机电系统等方面具有广泛的应用前景，其内在纳米润滑机制是化工、生物、环境、材料等许多领域研究热点背后的共性基础问题，具有重要的研究意义。本项目按照研究计划，面向低摩擦系数微纳米器件的开发，选择生物润滑和微纳米器件领域关注较多的典型润滑液（如含简单离子(K+、Na+、Li+、Ca2+等)电解质水溶液、氯化胆碱/尿素低共熔溶剂、[BMIM][PF6]、[HMIM][Tf2N]离子液体及其水溶液等）作为主要研究对象，开发了基于纳米摩擦的分子动力学模拟方法，重点针对典型纳米受限界面（石墨烯、单层二硫化钼、离子型基底、氧化铁等）与润滑液相对运动过程，系统考察了界面性质（受限尺寸、界面亲疏水性、界面电荷等）对简单阳离子水化微结构、低共熔溶剂、离子液体及其水溶液微结构的影响；在此基础上，通过分子模拟与微观实验表征结合，建立了一套研究纳米受限润滑性能及其内在流体微结构主导的内在机制的新方案，并由此揭示出反常现象背后由离子、固体界面引起的流体微结构主导的内在机制，发现其本质在于，对于疏溶液界面，紧邻壁面层内的受限润滑液分子自身之间相互作用的增强，可有效提高润滑性能；而亲溶液界面，需考虑润滑液分子形成的“新类固界面”。上述分子层面的共性认知为进一步模型化提供了重要的切入点。项目达到了预期的研究目的，揭示了纳米润滑性能对固相界面受限尺寸、界面性质等的响应规律，解释反常现象，为建立纳米尺度润滑模型、开发低摩擦系数纳米器件提供基础数据和理论依据；同时为定量关联纳米润滑过程中离子溶液微结构与性能提供全新技术路线。研究成果在国内外重要刊物上发表论文18篇（包括AIChE、IECR、Carbon等），其中封面文章1篇。培养博士后1名，多名博士、研士研究生。参与国内外学术会议10余次。