構建宏觀超潤滑界面（摩擦系數在0.001級別甚至更低）可顯著降低能源消耗、減少由摩擦引起的經濟損失。然而，較長的磨合期可能造成摩擦副表面出現嚴重磨損。目前，縮短磨合期的策略多針對Si3N4、SiO2、Al2O3等陶瓷摩擦副。如何在短時間內實現軸承鋼摩擦副表面的超潤滑是亟需解決的技術難題。

前期，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員王道愛團隊，設計、開發了一系列基于天然有機酸（單寧酸、植酸）的液體超潤滑材料。該團隊利用天然有機酸、多元醇和水分子之間的協同效應，使氮化硅/玻璃等摩擦副界面達到超潤滑所需的磨合期縮短至1s內。然而，具有短磨合期的鋼/鋼摩擦副超潤滑材料設計仍然存在挑戰。

近日，該團隊設計出適用于軸承鋼摩擦副的液體超潤滑材料。研究通過將檸檬酸熱解制得的碳量子點（CQDs）添加到聚乙二醇水溶液中，實現了鋼/鋼摩擦副界面的超潤滑（摩擦系數為0.005），其磨合期僅有44s，同時軸承鋼表面的磨損率降低了77%（圖1）。摩擦過程中軸承鋼表面形成的潤滑膜包括吸附在摩擦副表面的CQDs和摩擦化學反應生成的鐵氧化合物，在摩擦過程中作為邊界潤滑劑有效減少了表面粗糙峰之間的直接接觸（圖2）。此外，研究結合分子動力學模擬發現，摩擦副表面的CQDs吸附膜在流體動力潤滑區域可減少潤滑劑分子鏈與摩擦副之間的相互作用力，從而降低滑動過程中的摩擦阻力（圖3）。這一成果為在較短磨合期內實現軸承鋼摩擦副表面的超潤滑提供了新的設計思路。

這一液體超潤滑材料體系有望應用于金屬切削加工、軸承潤滑等領域，相關實驗技術已申請發明專利一項。當前，該團隊正在積極推進該技術的應用轉化。

相關研究成果以Accelerating Macroscale Superlubricity through Carbon Quantum Dots on Engineering Steel Surfaces為題，發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院前沿科學重點研究計劃和甘肅省重大科技專項等的支持。