鄭泉水等在《自然》發(fā)表“跨尺度的結(jié)構(gòu)超滑和超低摩擦”展望綜述

清華新聞網(wǎng)11月26日電 11月22日，清華大學(xué)工程力學(xué)系、微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉研究中心暨摩擦學(xué)國家重點實驗室的鄭泉水教授作為兩位通信作者之一，和三位國外合作者在國際頂級期刊《自然》(Nature)上發(fā)表了題為“跨尺度的結(jié)構(gòu)超滑和超低摩擦”（Structural superlubricity and ultralow friction across the length scales）的展望綜述(Perspective)。文章的發(fā)表再一次表明了鄭泉水團(tuán)隊在結(jié)構(gòu)超滑領(lǐng)域的國際引領(lǐng)地位。

摩擦、磨損對人類社會影響深遠(yuǎn)。據(jù)統(tǒng)計，全球約1/4的一次性能源因摩擦而損耗，約80%的器件失效由磨損而引起。帶來巨額經(jīng)濟(jì)損失的同時，還造成環(huán)境污染和無法挽回的資源浪費。進(jìn)一步，摩擦、磨損的存在，使得許多關(guān)鍵技術(shù)（從航天器、高鐵、計算機(jī)存儲、到微機(jī)電系統(tǒng)等）遇到發(fā)展瓶頸；不少精妙的設(shè)計，僅能存在于人們的圖紙或科幻小說之中。那么，有沒有根本性的解決方案呢？

兩個固體表面直接接觸并相對滑移運動，摩擦磨損主要源于表面本身的粗糙性、表面之間的夾雜物和化學(xué)鍵等。早在1983年佩拉爾（M. Peyrard）和奧布里（S. Aubry）就利用一個十分簡單、只含兩個彈簧系數(shù)的Frenkel-Kontorova 模型（簡稱FK模型），從理論上預(yù)測了兩個原子級光滑且非公度接觸的范德華固體表面（如石墨烯、二硫化鉬等二維材料表面）之間存在幾乎為零（簡稱“零”）摩擦、磨損的可能。近十年后平野（M. Hirano）等人通過FK模型的計算，再次提出了類似的預(yù)測，將其命名為超潤滑（Superlubricity），并作了多次實驗嘗試。此后，馬丁（J.M. Martin）等于1993年實驗觀察到了摩擦系數(shù)低達(dá)10^-3量級的超低摩擦現(xiàn)象。由于長期沒有證實佩拉爾等預(yù)測的超潤滑概念，人們漸漸地將超低摩擦現(xiàn)象稱作為超潤滑，而將前者改稱為結(jié)構(gòu)潤滑（Structural Lubricity）。人類歷史上第一次觀察到結(jié)構(gòu)超滑（Structural Superlubricity）是在2004年，由荷蘭科學(xué)院院士弗倫肯（J. Frenken）領(lǐng)銜的團(tuán)隊在納米尺度、超高真空、低速（微米/秒）的條件下觀察到石墨-石墨烯界面超滑。由于實驗條件過于苛刻，無法投入實用。并且，包括弗倫肯本人在內(nèi)的許多科學(xué)家都不僅認(rèn)為，而且從理論上“證明”納米以上尺度結(jié)構(gòu)超滑難以實現(xiàn)。

2008年，鄭泉水團(tuán)隊在世界上首次實驗實現(xiàn)了微米尺度結(jié)構(gòu)超滑。2012年，鄭泉水團(tuán)隊證實了這是結(jié)構(gòu)超滑，從而顛覆了人們的有關(guān)認(rèn)識。弗倫肯（J. Frenken）等在《化學(xué)世界》（Chemistry World）（2012）上評價：“這是一個聰明的、經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計且極具勇氣的實驗。該現(xiàn)象發(fā)生在介觀尺度，立刻將這個現(xiàn)象的研究從學(xué)術(shù)興趣轉(zhuǎn)化到實際應(yīng)用（“immediately brings it from academic to practical interest” ）。此后，全球性的結(jié)構(gòu)超滑和極低摩擦研究都進(jìn)入了一個加速增長期，研究者們在不同的系統(tǒng)中都觀測到了結(jié)構(gòu)潤滑現(xiàn)象（圖1）。清華大學(xué)除了以鄭泉水教授為代表的研究團(tuán)隊在結(jié)構(gòu)超滑領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位之外，以雒建斌院士為代表的研究團(tuán)隊在固-液界面極低摩擦研究領(lǐng)域同樣處于國際領(lǐng)先地位。

圖1.（a）微米尺度（1-10 μm）和（b）亞微米尺度（~ 200 nm）石墨島的結(jié)構(gòu)超滑。（c） 厘米長雙壁碳管的結(jié)構(gòu)超滑。（d）類金剛石球、金剛石顆粒以及片狀石墨烯形成的宏觀極低摩擦界面（引自Nature展望原文圖2）。

2016年鄭泉水團(tuán)隊在《科技導(dǎo)報》撰寫中文綜述“超潤滑:“零”摩擦的世界”，介紹結(jié)構(gòu)超滑進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，此篇在《自然》上的展望綜述更新了上述進(jìn)展，并闡述了結(jié)構(gòu)超滑未來的發(fā)展趨勢和主要面臨的挑戰(zhàn)。自2008年以來，經(jīng)過十年契而不舍探索和研究，結(jié)構(gòu)超滑很可能正處于產(chǎn)生顛覆性關(guān)鍵技術(shù)和源頭創(chuàng)新技術(shù)的前夜。這些技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用將為人類更美好的未來做出歷史性貢獻(xiàn)。

鑒于這種前瞻性認(rèn)識，在清華大學(xué)和深圳市政府的支持下， 2018年9月深圳清華大學(xué)研究院設(shè)立了超滑技術(shù)研究所，由鄭泉水教授擔(dān)任所長。其發(fā)展戰(zhàn)略是充分整合鄭泉水教授在結(jié)構(gòu)超滑基礎(chǔ)研究、清華大學(xué)在多個技術(shù)學(xué)科（高端制造、信息技術(shù)、空天技術(shù)等）、深圳市在實體產(chǎn)業(yè)、深圳清華研究院在技術(shù)孵化方面等的獨特優(yōu)勢，致力于結(jié)構(gòu)超滑顛覆性關(guān)鍵技術(shù)和源頭創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)。

本文另外一位通訊作者為以色列特拉維夫大學(xué)化學(xué)學(xué)院奧德·霍德（Oded Hod）教授，三位國外合作者分別為以色列特拉維夫大學(xué)化學(xué)學(xué)院院長邁可·烏爾巴赫（Michael Urbakh）教授和奧德·霍德教授，以及瑞士巴塞爾大學(xué)物理系的厄恩斯特·邁耶（Ernst Meyer）教授。他們?nèi)环謩e采用理論模型、分子動力學(xué)/第一原理計算、和實驗方法研究納米尺度結(jié)構(gòu)超滑。

展望綜述鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0704-z

2016年《科技導(dǎo)報》中文綜述論文鏈接：

http://www.kjdb.org/CN/10.3981/j.issn.1000-7857.2016.09.001

供稿：航天航空學(xué)院 編輯：趙姝婧 審核：襄楠