综述｜清华大学马明教授团队：离子液体在固液摩擦中的应用
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图文导读
目前，涉及固体-离子液体界面的相关应用是能源相关领域的热点话题之一，探索离子液体-固体界面处性质给化学工程的发展带来巨大机遇与挑战。微观尺度下的固体-离子液体界面处的摩擦行为显示出优异的性能，尤其是展现出超润滑行为的可能性，目前，已有许多应用从这些研究中受益。
清华大学马明教授等在Green Chemical Engineering (GreenChE)上发表了题为"Recent Understanding of Solid-liquid Friction in Ionic Liquids"的综述。在此篇文章中，作者从界面性质、界面摩擦性质、界面理论模型及实验测量方法四个方面总结了近年来固体-离子液体界面处摩擦性质测量的最新进展，且着重关注微观摩擦行为和创新性成果，并对这一领域未来发展所面临的重要挑战进行总结。该综述将有助于相关研究人员掌握该领域最新进展，并期望推动固体-离子液体领域新思想和方法的进步。
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内容概述
1.固体-离子液体的界面性质
固体-离子液体界面附近的离子液体根据其不同的结构分为三个区域：首先是界面（最内）层，其与固体表面直接接触；其次是过渡区，其位于界面层和体相离子液体之间；最后是体相离子液体，其结构取决于离子两亲性。固体-离子液体界面的特殊结构是多种力相互作用的结果，例如双电层力、溶剂化力等，其中，范德华力通常可以忽略不计。在纯离子液体-固体体系中，当没有施加电场时，双电层力也可以忽略不计，因此引起界面处振荡的溶剂化层的溶剂化力起主要作用，即在固体-离子液体界面存在振荡的层状结构。对于振荡溶剂化层，其振荡周期与离子液体种类、固体种类、测量参数等相关；其组成与离子液体种类等相关，越靠近固体表面的离子液体排列越有序。
图1. 不同类型离子液体的力分离曲线。
2.固体-离子液体的界面摩擦性质
两个摩擦面在高压下相对滑动时，两个界面之间的距离只有几层润滑剂分子，大部分润滑剂被挤出，这种润滑机制被称为边界润滑，润滑剂分子层是边界层。传统润滑剂中的边界层物理吸附在固体表面上，易于去除，而离子液体的带电界面层在多重作用力的作用下与固体表面牢固结合，因此在压力下很难被挤出，因此，离子液体作为传统润滑剂的良好替代品受到了广泛关注。离子液体的化学结构、纯度、配比、温度、表面电势等均会对界面摩擦性质产生影响，其中电调控是最常见的调控固体-离子液体界面摩擦性质的方式。
3.固体-离子液体界面的理论模型及实验测量方法
由于离子液体自身较强的极性，固体-离子液体界面存在较强的长程双电层力；而在极端受限空间下，短程的溶剂化力/水合力/空间位阻力也非常显著。目前固体-离子液体界面的理论分析大多是将双电层力相关的DLVO理论与短程力理论相结合来展开研究，但后者目前还缺乏成熟、统一的解析理论。同时，第一性原理与分子动力学是从理论及模拟角度上对固体-离子液体界面展开研究的常用方法。
图2. SFA测得的离子液体中的长程静电力与离子液体界面力机制。
而在实验上，常用的固液界面探测仪器在固体-离子液体界面研究中均有所应用。主要包括原子力显微镜（AFM），表面力仪（SFA），石英晶体微天平（QCM），摩擦磨损试验机等。其中，前三者是微观尺度的实验方法，而后者则针对于宏观尺度。
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总结与展望
离子液体由于其独特的电学特性、内部结构而具有良好的承载能力、润滑特性，被认为是一种有卓越应用前景的润滑剂。本文综述了固体-离子液体的界面性质、摩擦性质、理论模型及实验方法，有助于读者对离子液体相关摩擦性质的研究有一个初步、全面的认识。未来随着固液表界面力学研究的不断深入以及实验与表征仪器的发展，离子液体的科学研究与工程应用也将日益广泛。
文
章
信
息
Title：Recent understanding of solid-liquid friction in ionic liquids
Authors：Yuqing He, Han Li, Cangyu Qu, Wei Cao, Ming Ma*
DOI：doi.org/10.1016/j.gce.2020.10.006
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通讯作者简介
文章作者简介
马明 副教授
马明， 清华大学机械工程系副教授、博士生导师、国家级青年人才，清华大学摩擦学国家重点实验室、微纳米力学中心骨干。博士毕业于清华大学工程力学系，导师为郑泉水院士。之后于英国伦敦大学学院和以色列特拉维夫大学从事博士后研究。2016年加入清华大学机械工程系工作，任副教授。主要研究方向为结构超滑和纳米流体。作为主要作者，成果发表于Nature Materials、Nature Nanotech、PRL、PRX、JMPS、EML、Science Advances、Nano Letters等著名学术期刊上。国家自然科学基金委重大项目子课题负责人，担任Nature Physics、PRL等期刊审稿人，获得IOP Trusted Reviewer。
曹伟
曹伟，以色列特拉维夫大学物理化学系博士后，2016年博士毕业于南京工业大学化工专业，2016~2019年在清华大学机械系从事博士后研究。主要开展纳米摩擦和超润滑、纳米流体方面的研究工作，在Science, Nano Lett., J. Phys. Chem. Lett., J. Phys. Chem. C., 等刊物发表SCI论文30余篇。
何雨勍
何雨勍，清华大学机械系博士生，2014-2018年于北京科技大学材料科学与工程学院攻读工科学士学位，2018年至今于清华大学机械系攻读工科博士学位。主要开展纳米摩擦和超润滑、纳米流体方面的研究工作。其成果在Friction, J. Phys. Chem. C.,J. Mater. Chem. A等刊物上发表。
李涵
李涵，清华大学机械系摩擦学国家重点实验室2018级直博生（在读），本科毕业于清华大学机械系。主要研究方向为固液表界面力学、固液界面摩擦、摩擦加速寿命实验。
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选
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期刊简介
Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。
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