第十三届全国青年表面工程学术会议

1 / 2021-01-31 17:03:50

基于AFM胶体探针对离子液体纳米摩擦性能的原位研究

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基于AFM胶体探针对离子液体纳米摩擦性能的原位研究

安蓉 （南京理工大学，南京210094）

摘要：离子液体具有极低蒸气压、高热稳定性、低温流动性好等特点¹，是由有机阳离子，无机或有机阴离子组成，在室温或接近室温时呈液态的盐类化合物。离子液体使用温度范围可达-150℃~480℃，可与各种固体表面作用形成保护膜，可承载高负荷。2001年中科院兰化所刘维民院士团队将离子液体首次用作表面润滑剂：发现咪唑四氟硼酸离子液体摩擦系数仅为传统润滑剂全氟聚醚的1/2，耐磨性是其60倍，承载能力提高2~3倍²。离子液体自此成为润滑剂领域内一支新兴“潜力股”，对空间技术、国防和化工等重要领域和高新产业有重要意义。

值得注意的是，当固体表面离子液体膜厚达到纳米量级时，其摩擦性质完全不同于体相，此时主要依据连续介质力学和材料体相性质的宏观摩擦学已无法适用³。原子力显微镜（AFM）具有纳米尺度敏感性⁴，它基于分子间相互作用，在分辨率高于1pN力和1nm位移下，通过AFM探针对样品施加正向载荷，测定离子液体在界面处的微观结构和纳米力学性质。但是AFM常规用于测定固体界面处离子液体纳米摩擦性能时，其测得的作用力来自于“固体-离子液体-探针”三者，无法单独提取出摩擦瞬间固体-离子液体间的作用，更是无法原位捕捉到摩擦界面处离子液体的微结构变化。而前期分子动力学模拟研究表明，在摩擦瞬间，不仅界面处离子液体作用发生改变，还同时发生了微结构变化⁵。

本文将SiO₂和PMMA微球粘至AFM悬臂上，形成AFM胶体探针，“模拟”不同的固体表面直接与离子液体作用，重现纳米尺度下固体表面处离子液体的摩擦过程，原位获得摩擦发生时界面处相互作用-微结构变化。具体以咪唑型离子液体[BMIM][BF₄]和[BMIM][PF₆]为模型离子液体，利用SiO₂和PMMA胶体探针直接测得其与离子液体间的纳米摩擦力的同时，获得扭转共振频率—反映探针与离子液体间的接触硬度—以此评价摩擦界面处离子液体微结构的变化。结果表明，纳米摩擦力随正向载荷增加而单调增大，与此同时，原位获得的接触硬度也随之单调增大，这意味着载荷增大，胶体探针接触到了更为坚硬的离子液体层，也就是更为有序的离子液体结构。这种更为有序的离子液体结构伴随着更高纳米摩擦力的现象与Perkin和Atkin组非原位研究的结果^6,7一致，这是因为对于排列更加有序的离子液体，在相同接触面积下，离子液体层间相互作用力更大，此时发生离子液体层间滑移所需要克服的能量就更大，从而导致更高的摩擦力。另外一方面，在给定的正向载荷下，当外界施加从负到正的偏压（-8V，-6V，-4V，-2V，0V，2V，4V，6V，8V）时，纳米摩擦力随着正偏压的增大而单调增大（0 V→8 V），而随着负偏压的增大（0 V→-8 V）也显示类似的规律。原位测得的扭转共振频率也随着正/负偏压的增大而单调增大，对应于增大的接触硬度，即更为有序的离子液体结构，这也解释了为何在更高的外加偏压值下纳米摩擦力更高。进一步通过分子动力学模拟证实了这种在摩擦界面处所观察到的逐渐有序的离子液体结构，此结构导致了更高的纳米摩擦力。本文发现对基于离子液体的电化学和润滑的界面设计有重要的指导意义。

参考文献：

(1)       Zhou, F.; Liang, Y.; Liu, W. Ionic liquid lubricants: Designed chemistry for engineering applications. Chemical Society Reviews 2009, 38, 2590-2599.

(2)       Ye, C.; Liu, W.; Chen, Y.; Yu, L. Room-temperature ionic liquids: A novel versatile lubricant. Chemical Communications 2001, 2244-2245.

(3)       温诗铸; 黄平 摩擦学原理; 清华大学出版社: 北京, 2002.

(4)       Alsteens, D.; Gaub, H. E.; Newton, R.; Pfreundschuh, M.; Gerber, C.; Muller, D. J. Atomic force microscopy-based characterization and design of biointerfaces. Nature Reviews Materials 2017, 2.

(5)       An, R.; Zhou, G.; Zhu, Y.; Zhu, W.; Huang, L.; Shah, F. U. Friction of ionic liquid–glycol ether mixtures at titanium interfaces: Negative load dependence. Advanced Materials Interfaces 2018, 5, 1800263.

(6)       Smith, A. M.; Lovelock, K. R. J.; Gosvami, N. N.; Welton, T.; Perkin, S. Quantized friction across ionic liquid thin films. Physical Chemistry Chemical Physics 2013, 15, 15317-15320.

(7)       Cooper, P. K.; Wear, C. J.; Li, H.; Atkin, R. Ionic liquid lubrication of stainless steel: Friction is inversely correlated with interfacial liquid nanostructure. Acs Sustainable Chemistry & Engineering 2017, 5, 11737-11743.





作者介绍：安蓉，1986年1月，ran@njust.edu.cn，15295701219。研究方向：纳米摩擦，气体吸附，表界面物理化学。