TiO2-水界面处的水结构调控下的水化润滑
固液界面无处不在，在润滑、腐蚀、吸收、电化学和催化等众多科学领域发挥着至关重要的作用。在摩擦学领域，在工程中使用水来改善润滑性能可以追溯到公元前2400年左右的埃及，并具有从生物医学设备到海上军事的重大意义。然后，水化润滑以强水化效应和静电双层力为理论范式，为实现水介质中的超低摩擦提供了一个新的模型。在随后的几年里，在微观和宏观条件下，许多水化润滑系统逐渐取得了显著进展。
尽管表面力在水化润滑中所起的作用很早就被提出，但对固体和水溶液界面处的界面水或水合层结构的详细分子水平理解仍处于初级阶段。水化润滑的强排斥力通常被认为主要来源于纳米约束中的水化壳，其中水分子包围并紧密结合到水性电解质中的电荷或带电表面。人们已经做出了许多努力来探索水和水合层在表面和界面上的行为，这对于理解水化润滑的起源和潜在机制至关重要。最近，许多具有卓越分辨率和灵敏度的计算模拟和实验技术已被迅速发展，以解决固体-水界面的分子结构问题。特别是，和频生成振动光谱（SFG-VS）作为一种强大而通用的技术，非常适合在分子水平上原位阐明界面水结构，引起了人们的广泛关注。在SFG的帮助下，从离子浓度、阳离子种类和带电表面的角度，对盐对水结构的影响进行了深入的研究。例如，Jena等人观察到，随着离子强度的增加，熔融二氧化硅表面基本水结构的SFG信号出现平稳和下降，推测这归因于电解质对表面电场的屏蔽与界面处电荷诱导的分子有序之间的平衡。添加盐后，二氧化硅/水界面的SFG强度也有所降低，这与电荷屏蔽引起的扩散层电位一致。此外，不同的阳离子种类通过阳离子和二氧化硅表面之间的静电相互作用对界面水结构表现出不同程度的扰动。此外，带负电荷的亲水性二氧化钛（TiO2）和二氧化硅表面出现了Hofmeister系列有序性的差异，这是由于基底的电子性质、电荷密度和氢键能力的差异。
然而，仍有有限的报道，其中研究了界面水，特别是水合层结构对水化润滑的影响。在参考文献中，提出增强的均匀有序界面水结构有助于实现疏水性TiO2和亲水性硅表面的低摩擦状态。类似地，随着强配位水结构的增加，等离子体处理的二氧化硅表面表现出更高的水润滑性。此外，还发现两个表面活性剂涂层表面之间的“冰状”承压水有助于水化力和减摩，而SFG光谱强度减弱表明，磷酸的水化在实现超润滑方面发挥了关键作用。石墨烯表面附近的水和离子层及其对摩擦的影响引起了人们的强烈兴趣。据我们所知，几十年来，界面水结构与水化润滑之间的关系引发了许多争论，需要进一步研究。
固液界面的性质在润滑中具有重要意义。基于水化效应的润滑已取得显著进展。然而，仍缺乏对分子水平的详细了解。清华大学田煜教授研究团队通过和频产生振动光谱（SFG-VS）和原子力显微镜（AFM）研究了水分子在TiO2-水界面上的行为，以阐明固液界面在润滑中的作用。揭示了水结构和水化效应的综合作用，其中水结构在不同亲水性的TiO2表面的润滑中起主导作用，而水化效应随着离子浓度的增加而起主导作用。与具有更多无序水的亲水性TiO2表面相比，在具有强氢键的水分子的初始TiO2表面上观察到优异的润滑性。具有强氢键的稳定有序水排列以及出现在有序水层和随后的水层之间的剪切面可以在实现较低摩擦方面发挥重要作用。随着离子浓度的增加，更多的吸附水合分子扰乱了有序的水，但导致水合效果的增强，这是两种TiO2润滑性能提高的主要原因。这项工作为水化润滑机制的详细分子水平理解提供了更多见解。
文章链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40544-023-0750-x?utm_source=xmol&utm_medium=affiliate&utm_content=meta&utm_campaign=DDCN_1_GL01_metadata