摩擦和磨损是机械系统运行中不可避免的问题，不仅造成能量浪费，还会缩短设备的使役寿命。传统润滑油中含磷、硫的小分子添加剂虽能缓解这一问题，但其毒性、化学不稳定性、有害排放等对环境造成严重负担。纳米二硫化钼（MoS₂）薄片具有刚性的片层，强的层内共价键，弱的层间范德华吸引力。因此，MoS₂纳米片很容易发生层间滑动，降低摩擦和磨损，但不溶于基础油。在功能分散剂的辅助下（甚至丁基锂和碱金属萘化物等爆炸性化学品），MoS₂粉末可在高极性有机溶剂或水中原位剥离成纳米片。但随后的纳米片纯化和向润滑基础油转移非常麻烦。在这种情况下，作为润滑油添加剂，将MoS₂粉体直接分散在基础油中是非常必要的。这种想法是绿色和可持续的，但实现这一目标十分具有挑战性。

  近年来，兰州大学卜伟锋、兰州化物所蔡美荣研究员、周峰研究员等利用遥爪型聚合物与纳米粒子之间的配位键、氢键、π-π、动态共价键等相互作用，在基础油中制备了一系列聚合物纳米复合油凝胶（Chem. Eng. J. 2022, 430, 133097; Tribol. Int. 2023, 184, 108468; ACS Macro Lett. 2023, 12, 1345; Macromolecules 2024, 57, 8383;《日用化学工业（中英文）》2025, 55, 1）。纳米粒子可均匀地分散在由遥爪型聚合物形成的三维超分子网络中。此类凝胶润滑剂兼具有长期分散稳定性和优异的润滑性能。

  在上述研究的基础上，他们合成了一系列α-硫辛酸酯功能化三嵌段共聚物（L_mS_2nL_m, 2n = 30, 50, 70; m = 6, 10，图1）。通过S-S动态共价键，L_mS_2nL_m可在基础油PAO-10中形成动态共价油凝胶。MoS₂粉末可以直接均匀地分散在此类油凝胶中，同时被剥离形成MoS₂纳米片，显著提升了其润滑性能。这种原位剥离的驱动力来源于1,2-二硫环戊烷基团与MoS₂纳米片之间的多重Mo-S配位相互作用，进一步导致了该类复合油凝胶的长期分散性和胶体稳定性。

图1. (a) α-硫辛酸酯功能化三嵌段共聚物的合成，(b) 代表性油凝胶，(c) 动态共价油凝胶的结构示意图，(d) MoS₂的原位剥离及其复合油凝胶的结构示意图。

图2. (a) MoS₂@L₆S₅₀L₆和 (b，c) MoS₂@L₁₀S₅₀L₁₀的高分辨TEM图片，(d?g) AFM 图片及其高度图，(h，i) POM图片。

  他们选取MoS₂@L₆S₅₀L₆和MoS₂@L₁₀S₅₀L₁₀的复合油凝胶进行了透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）研究。TEM结果可以清晰地观察到2H-MoS₂纳米片、六边形堆积结构、电子衍射图（图2）。同时，2H-MoS₂的层间距为 0.95-1.25 nm，明显大于原始的0.62 nm。AFM研究获得了复合油凝胶MoS₂@L₆S₅₀L₆和MoS₂@L₁₀S₅₀L₁₀中MoS₂纳米片厚度（5.4和16.9 nm），比原始MoS₂粉体的厚度（160-240 nm）要小得多。这些显微研究表明，MoS₂粉末已被PAO-10基础油中的α-硫辛酸酯功能化三嵌段共聚物通过多个Mo?S配位键原位剥离成纳米片。通过Beaucage模型拟合MoS₂@L₁₀S₅₀L₁₀的低q值区域小角X-射线散射（SAXS）数据，得到了P = 2.0的标度指数和R_s = 12.0 nm的横截面半径（图3）。前者表明复合油凝胶中存在着MoS₂纳米薄片，后者则与原子力显微镜图像得出的薄片厚度相近。比较研究偏光显微镜（POM）、SAXS、流变学数据发现，L₁₀S_2nL₁₀油凝胶中的MoS₂粉体比L₆S_2nL₆发生了更大程度的剥离。这可能是由于MoS₂和L₁₀S_2nL₁₀之间更强的配位相互作用，从而提高了纳米片的剥离效率。

图3. (a) MoS₂@L₁₀S₃₀L₁₀、MoS₂@L₁₀S₅₀L₁₀、MoS₂@L₁₀S₇₀L₁₀复合油凝胶的SAXS及其拟合曲线，(b) MoS₂@L₆S₃₀L₆和MoS₂@L₁₀S₃₀L₁₀的SAXS强度比较。

图4. (a) 复合油凝胶MoS₂@L₆S₇₀L₆中MoS₂浓度依耐性的摩擦曲线（L₆S₇₀L₆: 50 mg/mL, MoS₂: 5, 10, 15, 20 mg/mL），(b，c) MoS₂@L_mS_2nL_m（2n = 30, 50, 70; m = 6, 10）的摩擦曲线，(d) 动态共价油凝胶L₆S₅₀L₆、L₁₀S₅₀L₁₀和复合油凝胶MoS₂@L₆S₅₀L₆、MoS₂@L₁₀S₅₀L₁₀的磨损深度剖面曲线。载荷为400 N。

  摩擦学测试表明，在400 N条件下，MoS₂@L_mS_2nL_m的摩擦系数（COF）稳定在0.11，而L_mS_2nL_m的COF值在滑动初期出现局部磨损峰值（COF > 0.31），然后COF下降到0.16?0.18的范围内（图4）。与PAO-10相比，L_mS_2nL_m动态共价油凝胶和MoS₂@L_mS_2nL_m复合油凝胶的COF分别下降了19%和48%。因此，MoS₂@L_mS_2nL_m的减摩性能远优于L_mS_2nL_m。相应地，MoS₂@L_mS_2nL_m的抗磨性能也远优于L_mS_2nL_m。摩擦学数据的比较研究表明，MoS₂@L₁₀S_2nL₁₀的复合油凝胶比MoS₂@L₆S_2nL₆具有更好的抗磨损性能。这源于MoS₂@L₁₀S_2nL₁₀复合油凝胶中MoS₂更高的剥离程度。

图5. (a，b) MoS₂@L₆S₅₀L₆和 (c) MoS₂@L₁₀S₅₀L₁₀润滑过后的钢表面磨斑横截面的TEM图。元素分布图：(d) O，(e) S，(f) Fe，(g) Mo，(h) P，(i) 综合图。

  这些优异的减摩抗磨性能来源于在MoS₂@L_mS_2nL_m润滑过的磨损钢表面上形成的纳米摩擦保护膜，有效阻隔了摩擦副的直接接触。聚焦离子束-透射电子显微镜（FIB-TEM）研究发现，MoS₂@L₆S₅₀L₆摩擦膜厚度在40-60 nm之间，而MoS₂@L₁₀S₅₀L₁₀的厚度在120-180 nm之间（图5）。这些摩擦膜中含有2H-MoS₂纳米片、FeS和氧化铁纳米颗粒等。与MoS₂@L₆S₅₀L₆相比，MoS₂@L₁₀S₅₀L₁₀润滑形成的摩擦润滑膜更厚，这很好地解释了其更为优越的抗磨损性能。TEM-EDS研究发现钼、硫、铁和氧等元素均匀分布在摩擦保护膜中。

  本工作以油凝胶形式实现了MoS₂粉末在基础油中的直接分散和原位剥离，突破了传统认知中化学合成或预剥离处理是制备油溶性MoS₂纳米润滑添加剂的必要前提。同时，这一研究还为直接分散和剥离其他无机层状材料，创制聚合物纳米复合材料提供了一种通用方法。

  相关成果以“α-Lipoate Functionalized Triblock Copolymers Enable In Situ Exfoliation of Molybdenum(IV) Disulfide into Nanosheets in Base Oils for Enhanced Friction and Wear Reduction”为题，发表于ACS Appl. Mater. Interfaces。兰州大学化学化工学院硕士研究生李姗姗为论文第一作者，兰州大学卜伟锋教授和中科院兰州化物所蔡美荣研究员为共同通讯作者。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c01620