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基于润湿调控的界面水结构与摩擦

水润滑在生物器件、海洋军事等领域具有巨大应用潜力，近几年在水润滑体系和润滑理论方面取得了显著进展，主要基于流体动压效应、水合效应和双电层效应等，但对水-固界面的水分子或水合层结构的了解仍相对缺乏。从分子水平深入探究水润滑的现象和机理具有重要的科学意义和应用价值。我们利用和频振动光谱（SFG-VS）和原子力显微镜（AFM）探究了不同润湿性二氧化钛（TiO₂）和硅表面的界面水结构和摩擦学行为，并建立了水润滑和界面水分子之间的相关性。SFG-VS是一种二阶相干非线性光学技术，可用于原位实时阐明水-固界面水分子结构。结果表明，TiO₂和硅展现出完全相反的润湿性调控摩擦的趋势，润湿性增强有利于硅的润滑，但却导致了TiO₂表面更高的摩擦。其中水合效应和范德华力之间的竞争可以有效解释硅的摩擦性能，但表面力理论并不适用于TiO₂表面的水润滑机制。然而值得注意的是，被更均一有序水分子覆盖的TiO₂和硅表面都对应更低的摩擦系数。水润滑对界面水结构表现出强烈的依赖性，在更疏水的TiO₂和更亲水的硅表面都探测到更均一有序的界面水结构，是实现更优异润滑性能的重要因素。这揭示了界面水结构对摩擦的普遍作用，为进一步探索摩擦的起源以及在分子水平理解水润滑提供了更多的见解。