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多官能团表面修饰金属纳米颗粒的制备及摩擦学性能研究

一、引言

（一）研究背景与意义

在机械工程领域，摩擦磨损是长期困扰设备运行的关键问题。据统计，全球约三分之一至二分之一的能源因摩擦而损耗，约80%的机械零件失效源于磨损。传统润滑添加剂，如含硫、磷、氯的极压剂，虽在一定程度上能降低摩擦磨损，但因其对环境不友好，易造成污染，且承载能力有限，难以满足现代工业对润滑材料日益严苛的要求，如航空航天、汽车制造等领域，这些行业迫切需要低磨损、长寿命且环保的润滑材料。

金属纳米颗粒因其独特的表面效应和小尺寸效应，在减摩抗磨领域展现出巨大的应用潜力。当金属颗粒尺寸进入纳米量级时，其比表面积大幅增加，表面原子的活性显著提高，能够与摩擦表面发生更强烈的相互作用。然而，纳米颗粒在基础油中易团聚，稳定性差，限制了其在润滑领域的应用。通过多官能团表面修饰，可有效改善纳米颗粒的分散性，增强其与基础油的相容性，并调控其在摩擦界面的作用机制，从而优化其摩擦学性能。

本研究深入探究多官能团修饰金属纳米颗粒的制备方法及其摩擦学性能，旨在揭示多官能团修饰对纳米颗粒摩擦学性能的影响规律，明确修饰密度与摩擦性能之间的定量关系，为高性能润滑添加剂的设计提供坚实的理论与实验依据，推动润滑材料领域的发展，满足现代工业对高效、环保润滑材料的需求。

（二）国内外研究现状

近年来，表面修饰技术在纳米颗粒润滑领域取得了快速发展。众多研究聚焦于不同官能团对纳米颗粒表面性质和摩擦学性能的影响。例如，NHS活化酯被用于修饰纳米颗粒表面，可增强其与生物分子的偶联能力，在生物医学润滑领域展现出潜在应用价值；硫基化合物如Ag-S-十六烷氨基复合物，能够改变纳米颗粒的表面电荷和化学活性，显著提高其在润滑油中的分散稳定性。

研究表明，经过表面修饰的纳米颗粒在摩擦过程中，能够在摩擦界面形成一层保护膜或修复层。这层保护膜可以有效隔离摩擦表面，减少直接接触，从而降低摩擦系数；修复层则能够填补摩擦表面的微小划痕和凹坑，改善表面平整度，减小磨斑直径，提高材料的耐磨性。然而，目前对于多官能团协同作用机制的理解仍不够深入，不同官能团之间如何相互影响、共同作用于纳米颗粒的摩擦学性能，尚需进一步研究。此外，修饰密度与摩擦性能的定量关系也尚未明确，这限制了对纳米颗粒润滑性能的精准调控和优化。

二、多官能团表面修饰金属纳米颗粒的制备原理与方法

（一）表面修饰原理

1.官能团设计与作用机制

多官能团修饰剂在纳米颗粒的表面修饰中起着关键作用，其通常包含锚定基团和功能基团，这两类基团相互协作，赋予纳米颗粒独特的性能。锚定基团如巯基（-SH）、氨基（-NH?），凭借其与金属表面的强相互作用，能够牢固地结合在纳米颗粒表面。以巯基为例，它可以与金、银等金属表面的原子形成稳定的金属-硫键，这种共价键的形成使得修饰剂能够紧密地附着在纳米颗粒表面，形成稳定的修饰层，有效防止修饰剂从颗粒表面脱落。

功能基团则在调控纳米颗粒的表面性质方面发挥着重要作用。长链烷基具有较强的疏水性，当它作为功能基团连接在纳米颗粒表面时，能够显著改变颗粒的亲疏水性，使其在非极性溶剂中具有更好的分散性。比如，将含有长链烷基的修饰剂修饰在银纳米颗粒表面，可使银纳米颗粒在甲苯等有机溶剂中均匀分散，不易团聚。极性基团如羧基（-COOH）、氨基（-NH?）则能改变纳米颗粒的电荷分布，增强其与极性物质的相互作用。氨基在水溶液中会质子化形成-NH??，使纳米颗粒表面带正电荷，从而提高颗粒在水中的亲水性和分散性，有利于其在生物医学等领域的应用。此外，功能基团还可以参与化学反应，为纳米颗粒引入更多的功能性，拓展其应用范围。

2.典型修饰体系

NHS活化酯修饰体系：NHS活化酯修饰体系在纳米颗粒表面功能化中具有重要应用，尤其适用于磁性纳米颗粒，如Fe?O?。其修饰原理基于NHS活化酯与纳米颗粒表面羟基/氨基之间的酯化/酰胺化反应。Fe?O?纳米颗粒表面通常含有丰富的羟基，当NHS活化酯与Fe?O?纳米颗粒在适当条件下混合时，NHS活化酯中的酯基会与纳米颗粒表面的羟基发生酯化反应，形成稳定的酯键，从而将NHS活化酯引入到纳米颗粒表面。这一过程不仅实现了对纳米颗粒的表面修饰，更重要的是，引入的NHS活化酯具有高反应活性，能够在温和条件下与生物分子（如蛋白质、多肽、核酸等）中的氨基发生特异性反应，形成酰胺键，实现生物分子在纳米颗粒表面的固定化。在生物医学检测中，可以将特定的抗体通过NHS活化酯修饰到Fe?O?纳米颗粒表面，制备成生物探针，用于对目标生物分子的特异性识别和检测，大大提高了检测的灵敏度和特异性。

硫基-烷基-氨基复合体系：硫基-烷基-氨基复合体系通过巧妙的设计，在银纳米颗粒表面构建了独特的双亲