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论文DOI：10.1016/j.apmt.2022.101382 刘宇宏课题组继2021年8月首次报道无机有机杂化结构优异的超滑性能并建立了结构组分与摩擦学性能之间的构效关系后，于近期又建立了表面结构与摩擦学性能间的构效关系，自此构效关系趋于完整，为后续的超滑材料设计提供了精准的指导。当前能源危机越发严重，科学界积极探索新能源的使用，包括氢能和太阳能等。而能源效率也是应对能源危机的有效方式，据统计每年由摩擦耗散掉的能量约占当年一次性能源供给能量的四分之一以上。因此尽可能的减小摩擦的不利影响将极大促进能源可持续。超滑技术致力于将摩擦减小到可忽略不计的水平，固体超滑技术极大的依赖超滑材料的发展。而超滑材料的性能与其本征结构参数密切相关。已报道的微观摩擦机制表明无机有机杂化结构是有潜力的超滑材料，而金属有机框架（MOFs）是其中重要一个亚类，刘宇宏课题组已对此猜想进行了验证并成功建立了结构组分与摩擦学性能之间的构效关系（Nano Today 40(4):101262）。由于摩擦学性能与润滑材料的表面结构息息相关，因此只建立结构组分与摩擦学性能之间的关系是不完整的，所以本工作精心设计了四种晶体结构相同但表面结构不同的二维MOFs研究了表面结构对摩擦学性能的影响机制。作者通过原子摩擦图创新性地显示出MOFs的精细表面结构并进一步通过原子级粘滑曲线建立了表面结构与摩擦学性能间的构效关系。本工作通过前期建立的构效关系预测出铜离子和卟吩羧酸配体组成的CuTCPP MOFs将表现出优异的摩擦性能，遂以此为研究对象，通过两种典型的方法制备了四种不同表面结构的二维MOFs，如图1所示，以液液界面限域制备的产物称为CuTCPP-N，而以表面活性剂辅助法制备的产物根据所用表面活性剂的不同称为CuTCPP-P，CuTCPP-S和CuTCPP-C。通过PXRD表征四种产物晶体结构相同，且二维晶面（001）和（002）均为主要晶面，证明了二维CuTCPP的成功制备；通过FTIR和TOF-SIMS光谱证明四种产物表面结构不同，尤其是TOF-SIMS还给出了不同类型表面活性剂残留量的差异（图2）.对四种产物表面进行微观摩擦测试，测试结果表明CuTCPP-N的表面摩擦力相比于高定向热解石墨（HOPG）下降幅度高达35%，且其表面粘附力仅为HOPG表面的三分之一，如此优异的性能证实了我们前期所建立的构效关系的正确性。其它三种MOFs由于表面活性剂的存在摩擦力和粘附力均有所增加，但增加幅度与表面活性剂的结构有关。{attr}2117{/attr}（PVP）带来的影响最大，甚至使MOFs表面的摩擦力比HOPG表面高出33%。因此研究表面结构对摩擦行为的影响机制迫在眉睫。▲图3. 四种不同表面结构的MOFs表面的摩擦学性能。
通过原子摩擦图表征出了四种产物表面的原子结构（图4（a，b，c和d）），CuTCPP-N和CuTCPP-C能够清晰显示出原子晶格，但是CuTCPP-C因为有CTAB的单分子层吸附导致框架变粗孔隙变小；CuTCPP-S因为SDS的少量吸附勉强能看到晶格结构而CuTCPP-P表面全覆盖了厚厚的PVP分子。孔隙对减摩的正向作用也初步证实因为原子摩擦图中孔隙位置较暗呈现出低摩擦。原子级粘滑曲线揭示了表面结构对摩擦行为的具体影响机制（图4（e））。CuTCPP-N的摩擦来源于金属离子的正电荷对探针的锚定作用，且因其表面存在两种化学环境的铜离子，因此存在程度不同的锚定效应。CuTCPP-S表面SDS的非极性尾对探针的缠绕效应造成了额外的能量耗散；而CuTCPP-C表面因为CTAB的铵根离子与铜离子同性相斥而使铵根离子远离铜离子，探针滑动过程中会从铜离子的锚定效应过渡到铵根离子的锚定效应从而造成了粘性迟滞行为；CuTCPP-P表面的PVP分子平铺在MOFs表面从而使官能团尽数暴露在外，PVP巨大的吸附量使探针滑动始终处于持续的黏着状态。至此，表面结构对摩擦性能的影响机制完全研究清楚，并依此建立了构效关系。
▲图4. 四种产物表面的原子摩擦图以及原子级粘滑曲线。（a）CuTCPP-P（b）CuTCPP-C（c）CuTCPP-S和（d）CuTCPP-N的表面结构。（e）从原子摩擦图中提取的原子级粘滑曲线。本文将使研究人员对于不同制备方法得到的产物有了更为清晰的认识，尤其是在进行表面性能研究时更要充分考虑其影响。另外本工作建立了完整的构效关系可对于未来的超滑材料设计提供精确而详细的指导。The relationship between surface structure and super-lubrication performance based on 2D MOFs. Applied Materials Today 26(2022):101382.https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101382
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