科技日报记者 颉满斌

6月16日，记者从中国科学院兰州化学物理研究所兰州润滑材料与技术创新中心磨损与表面工程课题组获悉，研究人员设计了一种Cu/C复合薄膜智能润滑新材料，相关研究成果发表在《自然 通讯》上。

实验证据表明该新材料具有类生命体特征的“感知响应—决策调控—修复”智能润滑行为，团队与武汉大学欧阳稳根教授团队合作，结合理论模拟和实验揭示了其中摩擦热驱动Cu纳米团簇固—液转化、毛细管力牵引逐级迁移以及界面催化有序碳结构润滑的智能循环反馈机制。

该系统表现出更高级的智能程度，一方面不需要额外的激发源，只需摩擦热副产物；另一方面可根据摩擦状态预先决策，按需润滑补充。同时该材料体系是一种全固态材料，具有更佳的力学和热稳定性，这为智能润滑设计提供了全新思路。在摩擦过程中同步实时监测了摩擦系数、接触电阻及金属释放量的变化。

在初始摩擦阶段，摩擦系数较高（0.2以上），伴随着金属大量迁移（电阻信号的波动和金属原子释放）；随后摩擦系数降低至较低水平（约0.05），进入自调节润滑阶段，根据摩擦状态的轻微变化，金属迁移微量补充；然后步入稳定阶段，摩擦系数非常平稳，金属几乎不发生补充；当更换一个新的对偶球后，润滑状态破坏，金属迁移快速发生，迅速完成润滑修复，再次重复上述循环过程，表现出像生命特征一样的“感知响应—决策调控—修复”的智能润滑行为。实验结合理论模拟结果表明，Cu纳米团簇由于小尺寸效应具有低的熔点，摩擦热可驱动Cu纳米团簇发生固-液相变，然后受到Laplace梯度压力驱动沿薄膜内部晶界孔道向表面迁移。

摩擦热随深度呈现梯度分布，而Cu纳米团簇随尺寸增加展现出更高的熔点，所以Cu原子由薄膜内部向表面迁移过程中，不断发生着“固—液—固”相变，自发形成了尺寸梯度分布，沿着狭窄的纳米孔道逐级向表面移动。这种逐级迁移的机制赋予其智能决策调控的能力，实现按需润滑补充，可快可慢。

同时体相内金属团簇大多时间以固态形式存在，有效维持了薄膜优异的力学性能。原位加温透射电镜观测表明，Cu纳米团簇周围可催化形成有序碳球状结构来实现润滑。密度泛函理论计算（DFT）揭示了催化机制，Cu与邻近的C原子之间形成不稳定的反键，使碳网络结构松散、键合强度变弱，在摩擦引起热振动过程中促进C—C键的断裂，进而形成热力学上更稳定的sp2C。综上，Cu/C薄膜展现出智能润滑循环反馈机制。

初始，高摩擦产生大量摩擦热，驱使薄膜内部的Cu纳米团簇液化并向表面迁移，在摩擦界面催化形成有序碳润滑结构，达到润滑状态，摩擦热驱动金属迁移终止。

当润滑状态有不能维持的趋势时，摩擦热副产物再次驱动金属迁移，循环调控。基于此，微米量级的Cu/C薄膜在真空环境中实现了超低摩擦系数（约0.04）和超长耐磨损寿命（超过40千米），有效解决了碳膜材料长期以来真空润滑寿命短的领域难题。

据悉，智能材料作为材料科学的革命性前沿，核心在于赋予材料感知、响应及自调节的“生命特征”，是高端装备的变革性基石。其中，智能润滑材料通过实时感知摩擦学状态变化（如载荷、温度），主动释放润滑剂或改变表面结构，在极端工况下实现按需润滑与损伤自修复，是实现从被动维护到主动防控的重大跨越，对突破高端装备的可靠性瓶颈、降低能耗与碳排放、保障国家重大工程和绿色发展战略具有深远意义。

新材料为智能润滑设计提供了全新思路