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润湿性对水基润滑影响的定量关系研究——由范德华力和水合力竞争主导的粘着摩擦机理

水基润滑在生物系统和工业生产中具有广泛应用。润湿性是影响水基润滑一个关键因素，尽管人们已经定性地发现亲水性往往会提高润滑性能，但仍缺少对这种影响的系统性揭示和定量的描述。理论方面，润湿性可能通过改变液体受限粘度、固-液界面边界滑移、固-液-固体系水合力或疏水力等来影响润滑，因此需要对它们进行分解剖析；实验方面，实验关键是设计理想的实验体系，以排除表面润湿性以外的其他体相因素的干扰。在本工作中，我们使用表面处理的硅片来研究润湿性这一单一因素对水基润滑的影响，摩擦力的测量通过液相环境原子力显微镜 (AFM) 实现，界面粘度也可以通过探针接近过程的动态行为表征。基于实验结果和酸碱极性理论，我们揭示了摩擦和润湿性之间的半定量关系，并将其归因于吸引的范德华力和依赖于润湿的水合排斥力的竞争结果。界面粘着迟滞主导了摩擦过程的能量耗散，而液体的粘性耗散贡献相对较小。上述结论也得到了其他材料的宏观/微观实验的验证。本研究结果可加深对水基润滑的认识，也可为水环境的摩擦粘附调控提供理论指导。