超滑的2D材料可能是行星探测器的理想润滑剂

美国研究人员发现，在无氧和无湿度的环境中，碳化钛MXene在宏观上表现出超级润滑剂的性能。研究小组表示，这一发现意味着这种材料可以成为一种新的固体润滑剂，以减少未来火星探测器的磨损。

MXenes(读作“maxines”)于2011年首次被描述，是一类二维、分层的金属硬质合金材料，因其导电性能而引起了人们的关注，并被提出应用于能量存储和收集、传感器设计和光电子学。然而，最近的研究发现MXenes也有可能用作固体润滑剂——然而，到目前为止，还没有人在宏观尺度上表现出超润滑性。

化学家Vadym Mochalin密苏里科技大学的研究人员及其同事与阿贡国家实验室的纳米材料中心合作，将碳化钛MXene沉积在涂有薄层二氧化硅的硅衬底上，制造出了这种材料。然后，他们通过将材料滑动到类金刚石碳涂层钢球上，测试了材料的摩擦和耐磨性。

这些测试都是在干燥的氮气环境中进行的，以降低湿度。这是必要的，因为与通常是惰性的大块过渡金属碳化物不同，它们的二维形式，正如Mochalin解释的那样，“非常活泼，容易水解，与氧反应，可能与其他试剂反应”。

研究小组发现，在碳化钛MXene中添加石墨烯“进一步降低了37.3%的摩擦力和两倍的磨损”。研究小组说，这种组合“大大”优于油基润滑剂。

“当我看到火星车在火星上着陆时，我想:‘如果其中一个轮子的润滑剂坏了怎么办?’”然后我把我们在MXenes上的工作联系起来，因为我想到我们刚刚发现MXenes在没有氧气和湿度的大气中表现出超润滑性，接近火星上的环境，”莫查林说。

MXenes除了可以减少从探测车到未来小行星采矿机械等最终前沿领域的摩擦外，还可以在陆地上应用。

Mochalin解释说:“只要MXenes以某种方式防止与湿空气直接接触——例如，正如我们在研究中所证明的那样，应用石墨烯制成的涂层或其他类似材料——它们就应该起作用。”他补充说，与基于石油的替代品不同，MXene润滑油还有一个额外的优势，即它们不依赖于原油等不可再生资源。

然而，为什么MXene具有超强的润滑性能仍然是一个悬而未决的问题。Mochalin说:“我们假设了一些机制，这些机制可能与MXene表面的官能团和插层物种有关，以及材料本身的性质，但在这个阶段，我们几乎没有什么可以肯定的说。”

德雷克塞尔大学的材料科学家评论说:“在过去的十年里，MXene已经显示出许多惊人的性能，并带来了许多惊喜。在这里，作者展示了通过使用二维MXene薄片大大降低摩擦的能力。尤里·Gogotsi他的团队发现了MXenes。他补充说，这一发现“在科学上很有趣，在技术上很重要”。

“虽然报告的摩擦缓解能力令人印象深刻，但还需要做大量工作来评估MXenes对实际空间任务的适用性，特别是关于它们对环境条件变化的鲁棒性，”他补充道穆罕默德Baykara他是加州大学默塞德分校的机械工程师，他也没有参与本研究。