Origins of Superlubricity Promoted by Hydrated Multivalent Ions

离子 吸附 二价 化学 碱金属 无机化学 水溶液中的金属离子 润滑 表面电荷 化学物理 材料科学 化学工程 物理化学 复合材料 有机化学 工程类
作者
Tianyi Han,Chenhui Zhang,Jinjin Li,Shihua Yuan,Xinchun Chen,Jiyang Zhang,Jianbin Luo
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:11 (1): 184-190 被引量:48
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.9b03098
摘要

Strong hydration repulsion exists between two negatively charged surfaces in the alkali metal salt solutions, together with the fluid response to the shear of hydration layers, leading to superlubricity. However, whether the multivalent ions can obtain superlubricity has not been revealed yet. Here, we evaluate the lubrication and adsorption properties of multivalent ions at different concentrations between Si3N4 and sapphire surfaces. The divalent and trivalent ions exhibit extremely low friction coefficients of 0.005-0.006 and 0.002-0.004, respectively, under contact pressures above 0.25 GPa, and three trivalent ions can achieve superlubricity at quite low sliding speeds (3.1 mm/s), which is a significant breakthrough for superlubricity under boundary lubrication. Moreover, compared with monovalent ions, divalent ions can reduce surface potential and lower surface charge density even further, and trivalent ions can neutralize the negatively charged ceramic surfaces and even lead to charge inversion due to excess adsorption of the cations, which ensures strong adsorption of hydrated multivalent ions on friction surfaces.
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