分子尺度功能涂层因其优异的结构可设计性和界面调控能力，在光学器件、微纳机械、医疗器械和海洋防污等领域具有重要应用潜力。然而，传统单分子层或超薄功能涂层普遍存在“低摩擦但易磨损”的固有矛盾，限制了其在复杂服役环境中的长期稳定应用。针对这一问题，西北工业大学先进润滑与密封材料研究中心刘维民院士团队提出了一种基于碳点纳米流体的多组分动态异质涂层设计策略。该涂层通过将室温液态碳点纳米流体限域于多孔空心二氧化硅载体中，进一步结合硅凝胶基体和低表面能氟硅烷分子层，构筑出兼具软硬梯度、动态耗能、低黏附和光学透明性的功能界面。所得 F-SCL 涂层在水下摩擦过程中可快速进入超润滑状态，摩擦系数降低至约 0.005，并可稳定维持 10800 次滑动循环。同时，该涂层对细菌和微藻表现出优异的抗生物污损性能，去除率最高可达 99%，并保持超过 85% 的可见光透过率。该工作为为兼具高耐久性、高透明性、低摩擦性与抗污性能的一体化分子尺度功能涂层设计提供了新的思路与理论依据。

  2026年5月22日，相关研究以Multicomponent Dynamic Heterogeneous Coatings With Carbon-Dots Nanofluids for Superlubricity and Antifouling Performances为题发表在Advanced Functional Materials上。

一、研究背景：分子尺度涂层为何“好用但脆弱”？

  分子尺度表面修饰是一类极具吸引力的界面调控方法。通过在固体表面引入有序的单分子层、低表面能基团或特定功能分子，可以有效赋予材料表面超疏水、防污、抗结冰、自清洁、减阻和低摩擦等性能。尤其是含氟硅烷分子层，因其表面能低、结构可调和易于在多种基底上形成稳定界面层，被广泛用于构筑功能化“分子皮肤”。

  然而，这类超薄分子层通常厚度仅为纳米尺度，在实际摩擦、刮擦或长期水下服役过程中容易受到机械破坏。也就是说，传统分子尺度涂层常常面临一个核心矛盾：为了获得低摩擦，需要构筑低剪切、低黏附的表面；但为了提高耐磨性，又需要涂层具备足够的承载能力和应力耗散能力。若简单引入柔性中间层，虽然可缓解接触应力，却可能增大真实接触面积，反而导致摩擦上升。因此，如何在同一界面中同时实现“低摩擦”和“高耐久”，一直是分子尺度功能涂层设计中的关键挑战。

  本研究的出发点正是突破这一限制：不再单纯依赖均一的软层或硬层，而是通过构筑动态异质界面，将低摩擦分子层、软相耗能结构和硬质承载结构进行空间协同组织，从而实现摩擦、磨损和防污性能的同步优化。

二、设计思路：用“液态碳点纳米流体”赋予硬质结构动态耗能能力

  碳点是一类零维碳基纳米材料，具有表面化学可调、尺寸小、界面适应性强等特点。近年来，研究发现特定结构的碳点在高浓度或无溶剂条件下可表现出类似液体或液晶的软物质行为。这类液态碳点不仅不同于传统固体纳米颗粒，而且具有更强的黏弹性、结构重排能力和界面迁移能力。

  在本工作中，研究团队合成了室温液态碳点纳米流体，并将其引入多孔空心有机硅微球内部和表面，形成H-SiO₂@LCDs 有机–无机杂化结构单元。其中，多孔空心二氧化硅提供刚性支撑和承载能力，液态碳点纳米流体则赋予该刚性结构可重构、可耗能和可调节界面润湿的能力。随后，H-SiO₂@LCDs 被分散到硅凝胶体系中，并在溶剂挥发和浮力辅助作用下自组装形成有序纳米纹理表面。最后，通过氟硅烷分子修饰，在表面形成低表面能分子层，得到最终的 F-SCL 多组分动态异质涂层。

【图1】F-SCL 涂层结构设计示意图及动态异质界面耗能机制。

  该结构的核心优势在于“功能分工明确”：最外层氟硅烷分子层负责降低表面能和剪切阻力；硅凝胶中间层提供柔性缓冲；液态碳点纳米流体可在受力过程中发生局部重排并耗散能量；多孔空心二氧化硅微球则承担载荷支撑和结构稳定作用。由此，涂层内部形成了软–硬耦合、液–固协同的梯度异质结构，实现了耗能与承载功能的解耦。

三、结构表征：有序表面纹理与梯度异质界面的构筑

  扫描电子显微镜和原子力显微镜结果表明，H-SiO?@LCDs 杂化结构单元可在涂层表面形成大面积有序排列，并产生规则的纳米级表面起伏。这种表面纹理并非简单粗糙化，而是通过纳米流体诱导微球自组装形成的可控结构。其意义在于：有序微凸起可在接触过程中降低真实接触面积，从而减少黏着结点的形成和稳定化，最终降低界面剪切阻力。XPS 深度剖析进一步证明，F-SCL 涂层具有清晰的层状梯度结构：最外层为超薄氟硅烷分子层，其下为柔性的硅凝胶相，再向内为富含液态碳点的软耗能区域，最后是相对刚性的有机硅骨架。该梯度分布说明，涂层并不是简单的填料复合体系，而是一个经过空间结构编程的多组分动态异质界面。此外，液态碳点的碳核尺寸约为 2 nm，而其在分散体系中的水合动力学尺寸约为 20 nm，表明碳点表面存在柔性链段包覆与缠结。这种结构特征为其表现出黏弹性、界面重排和能量耗散能力提供了基础。

四、摩擦性能：快速进入水下超润滑状态，并保持长期稳定

  为评价F-SCL 涂层的水下润滑性能，研究团队采用 PDMS 作为摩擦副，以模拟水下生物体与材料表面之间的黏附和剪切行为。结果显示，裸玻璃和硅凝胶表面在剪切过程中摩擦系数较高，且 PDMS 容易因界面阻力过大而发生明显弹性变形。单纯引入 H-SiO₂@LCDs 的 H-SCL 涂层虽然能够降低黏附，但需要较长的跑合过程。

  相比之下，F-SCL 涂层在水下剪切过程中几乎无需跑合即可快速进入超润滑状态。在 1 N、1 Hz、10 mm 条件下，其摩擦系数稳定在约 0.005，相较于玻璃表面降低约 99.5%。更重要的是，该涂层在 1–15 N 载荷范围内均能快速实现超润滑，表现出良好的载荷适应性。在长时间摩擦测试中，F-SCL 涂层经过 10800 次滑动循环后仍保持稳定的超低摩擦状态，平均摩擦系数约为 0.00616，说明该动态异质结构能够有效提升分子尺度润滑层的机械稳定性。

【图2】不同涂层表面形貌、摩擦系数、载荷适应性和长期循环稳定性。

  从机制上看，F-SCL 的超润滑并不依赖单一因素，而来自多层次协同作用。首先，低表面能氟硅烷层提供分子尺度低剪切界面；其次，有序表面纹理降低真实接触面积，减少黏附结点；再次，液态碳点纳米流体在受载过程中可发生动态重排，耗散法向载荷和切向剪切能量；最后，空心二氧化硅微球提供刚性支撑，避免柔性层过度变形导致接触面积增加。因此，该涂层实现了“低黏附、低接触面积、高耗能、高承载”的统一。

五、防污性能：低黏附与主动抗菌抗藻协同

  除超润滑性能外，F-SCL 涂层还表现出优异的水下防污、自清洁、抗墨迹和抗指纹能力。实验表明，无论是水、正己烷还是润滑油液滴，在 F-SCL 表面均能以约 25° 倾角快速滑落，且几乎不留下残留。与传统依赖空气层的荷叶效应不同，F-SCL 即使在水下也不会因气层散射而降低透明性，因此更适用于水下光学窗口、传感器表面和海洋装备防污场景。

  在抗涂鸦测试中，水性墨水和油性记号笔在F-SCL 表面难以铺展，墨迹会迅速收缩成液滴，经简单擦拭后几乎无残留。指纹测试也显示，人体指纹液在该表面难以稳定附着，说明其低表面能界面和有序微纳结构能够有效抑制复杂污染物黏附。

  进一步地，研究团队选取大肠杆菌、金黄色葡萄球菌以及两类代表性微藻Porphyridium 和 Dunaliella 作为模型生物，系统评价了涂层的抗生物污损性能。结果表明，F-SCL 对细菌和微藻均表现出显著抑制和去除效果，最高去除率可达 99%。其防污机制可归结为两方面：一方面，氟硅烷低表面能层和纳米纹理结构降低了微生物与表面的有效接触面积和黏附稳定性，形成被动抗黏附/易脱附机制；另一方面，液态碳点可逐步释放并与微生物细胞表面发生作用，干扰细菌和微藻的早期附着与生物膜形成，提供主动抗菌抗藻作用。值得注意的是，涂层在可见光范围内仍保持超过 85% 的透过率，这对于透明防护涂层尤为重要。传统粗糙防污表面往往会带来光散射增强和透明性下降，而本研究通过液态碳点填充孔隙和调控界面结构，在低黏附、防污和光学透明之间实现了平衡。

【图3】：F-SCL 涂层对细菌和微藻的抗污性能

  本研究提出了一种基于碳点纳米流体的多组分动态异质涂层设计策略，成功解决了分子尺度功能涂层中长期存在的“低摩擦–高耐久”矛盾。通过将液态碳点纳米流体限域于多孔空心二氧化硅载体中，并结合硅凝胶基体和氟硅烷分子层，研究团队构筑了兼具软硬梯度、动态耗能、低表面能和有序纹理的 F-SCL 涂层。该涂层不仅可在水下快速实现超润滑，并在 10800 次循环后保持摩擦系数约 0.00616，而且表现出优异的抗细菌、抗微藻、自清洁、抗指纹和光学透明性能。

  该工作证明，碳点不仅可以作为传统荧光或纳米添加剂使用，还可以作为动态软物质界面构筑单元，在分子尺度润滑和防污涂层中发挥重要作用。该策略为未来发展面向海洋光学窗口、医疗器械、微纳机械、精密轴承及透明防护器件的高耐久多功能涂层提供了新的材料设计思路。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.76047