2015年摩擦学国家重点实验室年度报告

12015年摩擦学国家重点实验室年度报告2015年，摩擦学国家重点实验室继续面向学科前沿和国家重大需求开展研究工作，针对超大规模集成电路制造装备、航空制造、高温气冷堆核能装备、高档数控机床、风力发电装备、核聚变装置等国家重大工程中的表面界面问题和关键技术需求，在摩擦、润滑、减磨、延寿等方面开展了大量基础性和应用基础性研究工作，取得了一系列理论成果和关键技术突破。实验室的主要研究工作集中在以下5个方向：（1）摩擦学理论与技术；（2）机械表面/界面科学与性能控制；（3）生物摩擦学与生物机械；（4）微纳制造理论与技术；（5）微纳光电测试理论与技术。一年来，相关方面的研究结果在国内外学术刊物和会议上共发表论文255篇，其中SCI收录（含网络版SCI-EXPANDED）论文195篇，EI收录196篇，其中在1区（JCR分区）论文96篇，影响因子IF2的论文总数为91篇。实验室获发明专利授权140项，并且多项研究成果在工程领域获得转化和应用。获省部级科技奖励2项：汪家道研究员等获教育部自然科学奖一等奖1项（排名1）；李勇研究员等获2015年度中国机械工业科学技术一等奖1项（排名1）。温诗铸教授荣获2015年度“国际摩擦学金奖”1项。此外，陈恳研究员、徐静副研究员等获得国际会议最佳论文奖2项。学术交流方面，实验室于2015年成功主办了第六届焊接科学与工程国际会议、The2ndInternationalConferenceonFrictionBasedProcesses、The2ndTsinghua-CaltechWorkshoponFrontiersofScienceandTechnology2015、InternationalWrokshop:FundamentalandApplications、第2届XINInnovationForum等会议。实验室的研究人员参加了2015IFToMMWorldCongress、7thChina-UKTribologySymposiumon“TribologyinTransportationSystems”、2015China-KoreaWorkshopofDiamond-likeCarbonFilmsandTechnology、16thAsianPacificVibrationConference等约30多个国际会议，并在国内外重要会议上作邀请报告16次。一、研究水平与贡献1.承担任务摩擦学国家重点实验室承担了多项国家重要科研任务，目前在研项目共计196项，其中作为课题负责人的项目有180项。本年度进校科研经费约1.01亿元。主要在研课题包括：国家“973计划”课题10项、“863计划”课题0项、国家科技重大专项课题3项、国家科技支撑计划课题2项、国家自然科学基金项目52项等。2015年度新增5项重要科研任务如下：21514255022015/1/1-2018/12/31400200/2201517103032015/7/1-2018/7/130010032015CB0572032015/1/1-2019/8/3126714997342015CB0573032015/1/1-2019/12/31450118973565nm201520012642015/10/20-2019/12/31300012002.研究工作水平本年度的代表性研究进展如下：1）摩擦学理论与技术本年度代表性成果：1Watertransportinsidecarbonnanotubesmediatedbyphonon-inducedoscillatingfrictionMingMa,FrançoisGrey,LumingShen,MichaelUrbakh,ShuaiWu,JeffersonZheLiu,YilunLiuandQuanshuiZhengNatureNanotechnology2015,10,6922OriginsofhydrationlubricationLiranMa,AnastasiaNatureCommunications2015,6:60603Gaisinskaya-Kipnis,NirKampf&JacobKlein水在碳纳米管中流动的新机制：水资源危机是人类面临的最重大危机之一。在过去十年间，与纳米流动相关的研究已经在诸多重要领域产生了实际应用，例如海水淡化，纳米级过滤以及基于渗透作用的能量转换。其中，以碳纳米管的研究和应用最为广泛。这些领域均与解决水资源危机息息相关。因此，理解水在碳纳米管中的输运机制具有极其重要的意义。目前为止，尽管理论研究（例如分子动力学）已经在分子层面上揭示了许多该输运现象的相关机制，但是获得进一步的理解却十分困难。经过多年的努力，通过在IBM资助和上万名志愿者帮助下完成的海量数据计算和分析，郑泉水教授课题组发现了在流速和壁面阻力之间存在震荡关系。在此基础上，课题组进一步揭示了水在碳纳米管中流动的新机制，即该震荡关系是由水分子的运动与碳纳米管中声子耦合所导致。该机制可以解释许多新奇的现象，例如水在纳米通道里流动，将形成本征的共振；这个本征共振，可大大提高溶在水中的其他元素的扩散（提高300%）。这项发现，有望解释重要的生物体系输运现象，并指导新的纳米通道设计，如引导新的类型的过滤膜，为解决水资源危机做出贡献。相关成果发表在NatureNanotechnology。亚纳米级水合润滑层能量耗散机制研究：对水合润滑的本质规律展开研究，实现了对亚纳米级水合层行为的直接实验观测；实验获得了高载荷下盐离子水合层0.0002的超低摩擦系数；通过研究原子级光滑云母间水合离子所受到剪切力随剪切速率的变化规律，获得了不同载荷条件下的两种水合润滑能量耗散机制，得出水合润滑是一种不同于以往任何润滑模型的新润滑机制；得到较低载荷下水合层呈粘性耗散机制，并以此为基础，成功利用实验手段测得了与理论计算值吻合的钠离子水合层粘度。揭示了水合润滑的内在机制，并为液体超滑的进一步深入研究奠定了基础。相关研究成果发表于NatureCommunications。2)机械表面/界面科学与性能控制1SpontaneoustransitionofawaterdropletfromtheWenzelstatetotheCassiestate:amoleculardynamicssimulationstudyWangJ,ChenS,ChenD.PhysChemChemPhys2015,17(45):30533/2Indentationpop-inasapotentialcharacterizationofweakeningeffectincoating/substrateXiaoHuang,IzhakEtsion,TianminShaoWear2015,338-339:325–331/4systems液滴润湿、颗粒聚合过程的界面力学研究：（1）发现了微液滴由Wenzel状态向Cassie状态自发转换的过程，探明其转换机理，获得其实现转换的表面形貌和表面能条件，这种全局最优Cassie状态的存在将极大扩展超疏水表面的应用。（2）发现了乳化液中油滴在固壁形貌表面上的Wenzel，Cassie和Cross三种状态，以及表面结构上水和油两种液体的复合润湿机理。（3）发现了远低于熔点情况下纳米金胶体颗粒间的吸附及聚合现象，探明其表面热力学波动及表面力相互作用的机理。相关成果发表在PhysicalChemistryChemicalPhysics上。PVD涂层/基体系统的弱化效应及其对摩擦学性能影响的研究：在PVD涂层/基体系统的弱化效应研究方面，取得了一系列的研究进展。利用基于解析方法的应力场计算，揭示了涂层/基体系统中弱化效应的产生机理。同时，使用球形纳米压痕、聚焦离子束刻蚀、透射电子显微镜等分析手段，直接验证了弱化效应的真实存在。通过测试TiN和TiAlN涂层与纯铜、高速钢、硬质合金基体所组成涂层/基体系统的摩擦学性能，研究了弱化效应对摩擦学性能的影响，发现当涂层弹性模量高于基体材料时，涂层/基体系统的主要破坏形式是基体塑性变形和涂层裂纹，降低涂层与基体间弹性模量差值有利于提高涂层/基体系统摩擦学性能；当涂层弹性模量低于基体材料时，涂层/基体系统的主要破坏形式是涂层自身磨粒磨损，提高涂层硬度有利于提高涂层/基体系统摩擦学性能。通过应力场计算，表明弱化效应的影响因素为涂层与基体弹性模量比值、基体弹性模量与屈服强度比值及摩擦系数等，基于上述影响因素提出了PVD涂层/基体系统的优化设计准则。在考虑弱化效应的基础上，设计并制备了用于不锈钢表面强化的TiN/WC-Co/不锈钢复合涂层系统，实验室测试表明复合涂层系统的承载能力、耐磨损性能显著优于单一的TiN/不锈钢涂层系统，该复合涂层技术已成功应用于工程案例中。相关研究结果本年度在Wear发表系列论文2篇并在7thChina-UKTribologySymposiumon“TribologyinTransportationSystems”做邀请报告。3)生物摩擦学与生物机械1MC3T3-E1cellresponsetostainlesssteel316LwithdifferentsurfacetreatmentsZhang,HY;Han,JM;Sun,YL;Huang,YL;Zhou,MMATERIALSSCIENCE&ENGINEERINGC-MATERIALSFORBIOLOGICALAPPLICATIONS201556,22-292ObservationsandZhao,CJ;Wu,JOURNALOF2015118(19),5temporalmodelofahoneybee'shairytongueinmicrofluidtransportJN;Yan,SZAPPLIEDPHYSICS194701荧光寿命检测活细胞中的mRNA研究：细胞中的肿瘤相关mRNA的表达水平能够为癌症的病程和预后提供重要信息，因此检测细胞中特定mRNA对生物和细胞的研究具有重要意义。我们首次提出利用nanoflares这种纳米荧光探针的荧光寿命来检测细胞中特定的mRNA。制备了靶向乳腺癌易感基因（BRCA1）的纳米探针，并在细胞外实验中对其结构和性质进行了表征。研究表明，这种纳米探具有一定的稳定性，并且能够快速灵敏、选择性地检测靶分子，证明了其用于检测目的基因的可行性。比较了靶向目的基因的nanoflares和非靶向目的基因的nanoflares处理MDA-MB-231乳腺癌细胞后的荧光分子的荧光寿命图像图像，以及靶向目的基因的nanoflares处理敲除了目的基因的细胞的荧光分子的荧光寿命。并将荧光寿命结果与荧光强度的实验结果对比，两者结果具有高度的一致性，证明了利用荧光寿命检测细胞内mRNA的可行性。由于荧光基团的荧光寿命与荧光强度无关，因此利用荧光寿命实现靶分子的检测能够排除荧光浓度等人为因素的影响，消除假阳性结果。与基于荧光强度的检测相比，基于荧光寿命的检测能够提供更准确可靠检测结果，具有一定的优越性。相关成果分别在MATERIALSSCIENCE&ENGINEERINGC-MATERIALSFORBIOLOGICALAPPLICATIONS。蜜蜂带有刚毛的中唇舌微流体输运机制：通过扫描电镜和高速摄像机对蜜蜂口器观测发现：蜜蜂中唇舌表面密布有细长的刚毛；蜜蜂饮水时由外颚叶、下唇须和中唇舌构成一个微泵，依靠刚毛收拢—直竖-收拢运动和多关节中唇舌往复运动实现对高浓度蜜水的输运。基于实验结果，提出了蜜蜂口器输运蜜水的微流量泵物理模型，分析了蜜蜂饮水过程中刚毛直竖与中唇舌伸缩的运动协调机制以及微流体输运能力，揭示了蜜蜂中唇舌在高浓度液体输运过程中的减阻机理。蜜蜂饮水机制的发现为开发新型的低能耗微流量泵提供了新的途径。相关研究成果发表于JOURNALOFAPPLIEDPHYSICS上。4)微纳制造理论与技术1Kinematicanalysisofinsitumeasurementduringchemical