纤维素纳米纤维（CNF）具有高强度、轻质和可降解性，被视为下一代可持续工业材料的潜力股。然而，CNF在滑动机械中的应用仍面临挑战。近期，一项发表于《Frontiers in Mechanical Engineering》的研究发现，由CNF制成的材料在高温下可表现出超低摩擦系数（<0.04），甚至接近“零摩擦”。
该研究团队设计了原位拉曼摩擦计，在摩擦过程中实时监测CNF材料的化学结构变化，并使用RAMANTouch激光共聚焦拉曼显微镜线光斑扫描技术，仅需~1min即可获取高分辨率的拉曼图像，揭示了CNF在摩擦过程中发生的微观结构变化及其原理机制。
测试条件
设备原理：将CNF模塑物在恒温和温升条件下进行摩擦测试，同步采集拉曼光谱数据，如图1所示
温度控制：通过加热模块精确调控摩擦温度，模拟实际工况下的热激活条件。
实时监测： RAMANtouch，532 nm激发光源，在线光斑扫描成像模式下，一次曝光可获得400个位点的拉曼光谱，大大缩短成像时间，及时精准捕捉摩擦过程中的动态结构变化。
图1. (A) 用于观察摩擦过程的原位拉曼光谱装置的示意图，
(B) 温升摩擦测试的程序
数据讨论
纤维素是一种结晶聚合物，其高阶结构由具有规则排列的结晶成分和具有无序结构的非晶成分组成。
200到1,200 cm⁻¹拉曼特征峰代表CNF的存在，其中510 cm⁻¹和890 cm⁻¹的峰值强度对应于COC糖苷链的长度。
2,890和3,200 cm⁻¹拉曼特征峰，代表水和纤维素的CH和CH₂伸缩振动以及OH伸缩振动；
图2.（A）温升摩擦试验中每个温度下 200 至 1,200 cm -1的原位拉曼光谱，（B）温升摩擦试验中每个温度下 2,800 至 3,400 cm-1 的原位拉曼光谱。
摩擦系数与温度的强相关性：在100°C以上时，CNF环和钢盘摩擦副的摩擦系数显著降低至0.04以下（常温下为0.095）。
原位拉曼监测：拉曼特征峰峰高度比I370/I1057和I3200/I2892被用作CNF模塑表面结晶度的指标。I510/I1057和I891/I1057被用作CNF成型表面上COC糖苷链长度的指标。
结晶度降低：拉曼光谱显示，随着摩擦温度从30°C升至120°C，CNF的特征峰强度比显著下降，表明CNF 模塑物在摩擦界面处结晶度降低，其晶体结构向非晶态转变。这种结构变化削弱了纤维间的氢键作用，从而降低了摩擦阻力。
C-O-C糖苷键缩短：拉曼特征峰强度比显著下降表明纤维素链中的C-O-C键长度随温度升高而缩短，释放了分子内应力。这一现象可能与纤维素链的热激活重排有关，进一步促进了材料表面的柔韧性和滑动性能。
图3.（A）CNF 模塑件的原始模塑和磨损表面的光学图像，以及温升摩擦试验中各个温度下的(B) I380/I1095, (C) I510/I1095, (D) I890/I1095, and (E) I3200/I2982的原位拉曼成像图。
图 4. 所有指标平均值随温度的变化（蓝色图为成型表面的值）
CNF 模塑体在摩擦界面处的结构转变对于实现模塑体的超低摩擦至关重要。
D峰与G峰的出现：摩擦后钢表面形成的CNF转移膜中，拉曼光谱检测到D峰（无序sp²碳，1350 cm⁻¹）和G峰（石墨化碳，1580 cm⁻¹），且ID/IG比值接近1.0，表明CNF经历了显著石墨化。
转移膜：I₁₃₅₂/I₁₀₅₇和I₁₅₈₀/I₁₀₅₇峰高比代表CNF衍生的转移膜中的sp²碳量，低摩擦转移膜的两个拉曼特征峰比在薄膜的大部分区域都高于高摩擦转移膜，这表明低摩擦CNF衍生的转移膜含有比高摩擦转移膜更多的sp²碳。
石墨化层的“润滑作用”：对于各种摩擦学材料而言，转移膜的形成是减少干滑动条件下摩擦的关键因素，因为转移膜作为牺牲层可以分散摩擦界面处的摩擦能量。因此，石墨化转移膜的层间范德华力远低于传统摩擦界面的氢键或共价键作用，从而大幅降低摩擦阻力
图 5.（A）温升摩擦试验后钢盘磨损表面的光学图像，（B）转移膜区域的拉曼光谱。
图 6. 钢表面低摩擦（120 °C，μ < 0.03）和高摩擦（30°C，μ ＞ 0.08）转移膜的（A）I1352 /I1057和（B）I1580 /I 1057的拉曼成像图
图 7. 超低摩擦石墨化CNF转移膜原理图
结论
原位拉曼光谱监测技术是本研究的核心工具，其优势在于：
“实时”捕捉结构变化：在摩擦过程中同步采集拉曼信号，解析CNF晶体结构、化学键及石墨化程度的动态演化；
高分辨率表征：通过特征峰强度比（如I₃₇₀/I₁₀₅₇、ID/IG等）定量分析结晶度、键长及石墨化程度；
界面行为可视化：结合拉曼成像技术，揭示CNF转移膜在钢表面的空间分布及石墨化区域。
拉曼光谱数据揭示了CNF在热激活条件下的结构演化与摩擦性能的关联性。这项研究不仅破解了CNF高温超低摩擦的秘密，更展示了天然材料通过结构调控实现高性能的无限可能。未来，随着摩擦辅助石墨化技术的进一步优化，CNF或许将成为高温润滑领域的“绿色新宠”，为可持续工业发展注入创新动力！
论文信息
Okubo H , Ishikawa T , Hashiba H ,et al.In-situ vibrational spectroscopic observation for thermally activated structural changes of 100% cellulose nanofiber molding with ultralow friction[J].Frontiers in Mechanical Engineering, 2024.DOI:10.3389/fmech.2024.1422412.
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