愛(ài)因斯坦說(shuō)：“如果一個(gè)想法最初聽起來(lái)不荒謬，那就不要對(duì)它寄予希望。”而鄭泉水教授和他的一群博士生在2017年國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)項(xiàng)目“范德華層狀介質(zhì)的滑移行為和力學(xué)模型”（獲獎(jiǎng)人：鄭泉水、劉哲、徐志平、劉澤、劉益?zhèn)悾┲械难芯拷?jīng)歷，則詮釋了要想挑戰(zhàn)成功一個(gè)“荒謬”甚至“不可能”的問(wèn)題，需要投入滿腔熱情和勇氣，百折不撓地堅(jiān)持，再加上或多或少的運(yùn)氣。
結(jié)構(gòu)超滑（Structural Superlubricity）是指兩個(gè)固體表面直接接觸做相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)幾乎為零（簡(jiǎn)稱“零”）的摩擦和磨損的狀態(tài)。絕對(duì)的零接觸摩擦在物理中是不可能的，那么，在兩個(gè)原子級(jí)光滑的范德華表面（如石墨烯、二硫化鉬等二維材料）之間有沒(méi)有可能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)超滑呢？“零”摩擦的一個(gè)自然推論是零磨損，這意味著“無(wú)限長(zhǎng)”的壽命。想想“永動(dòng)機(jī)”的“下場(chǎng)”，結(jié)構(gòu)超滑的想法也的確夠瘋狂的。
因?yàn)橐粋€(gè)偶然機(jī)遇，鄭泉水參與到這場(chǎng)“瘋狂的游戲”中——《科學(xué)》雜志曾在2000年報(bào)道了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：多壁碳納米管的一個(gè)芯管抽出后，可以自發(fā)縮回運(yùn)動(dòng)到外管中去。鄭泉水和合作者、美國(guó)加州大學(xué)河濱分校教授蔣慶看到后，預(yù)言可用多壁碳納米管制造一類全新的（即基于結(jié)構(gòu)超滑的）機(jī)械振蕩器。文章于2002年在《物理評(píng)論快報(bào)》（簡(jiǎn)稱PRL）報(bào)道后，多位著名學(xué)者在《物理評(píng)論聚焦》上表示，這是第一個(gè)該類納米器件，有很大意義，但同時(shí)也對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家提出了巨大挑戰(zhàn)。事實(shí)上，直到最近實(shí)驗(yàn)才測(cè)到了該文預(yù)言的機(jī)械振蕩現(xiàn)象，可見這的確是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。
鄭泉水曾于2004年以純理論的項(xiàng)目“張量函數(shù)表示理論與本構(gòu)方程不變性研究”獲得過(guò)國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（獲獎(jiǎng)人：鄭泉水、黃克智）。在接觸上述課題前，他是一位純粹的理論研究者，幾乎沒(méi)做過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，也沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室。他半開玩笑地說(shuō)，自己于2003年開始嘗試振蕩器的實(shí)驗(yàn)時(shí)，真可謂“無(wú)知者無(wú)畏”呀！多年后的今天回看這項(xiàng)研究，鄭泉水認(rèn)為自己之所以能“生存”下來(lái)，以往建立的學(xué)術(shù)聲譽(yù)、堅(jiān)持、運(yùn)氣和學(xué)生是關(guān)鍵。例如，鄭泉水指導(dǎo)的博士生中曾有三位獲得了全國(guó)優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)，所以即使是參與一項(xiàng)全新的探索，學(xué)生對(duì)老師的判斷也會(huì)有較充分的信任。另外需要特別指出的是，無(wú)論鄭泉水在這場(chǎng)漫長(zhǎng)的跋涉中遭遇到多么大的困難，黃克智院士以及清華大學(xué)的多屆校領(lǐng)導(dǎo)，始終站在背后給予最大可能的支持。
鄭泉水回憶說(shuō)，研究遇到的第一個(gè)“運(yùn)氣”，是在時(shí)任國(guó)家自然科學(xué)基金委數(shù)理學(xué)部主任白以龍?jiān)菏亢椭锌圃何锢硭馑忌钤菏康囊]和支持下，國(guó)家自然科學(xué)基金委撥出1/3的委主任基金緊急啟動(dòng)了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究；緊接著，清華大學(xué)撥出了100萬(wàn)自主研究經(jīng)費(fèi)支持實(shí)驗(yàn)的開展。第二個(gè)“運(yùn)氣”，是當(dāng)時(shí)有來(lái)自不同學(xué)科的多位著名學(xué)者（特別是清華大學(xué)的朱靜院士、范守善院士、薛其坤院士，北京大學(xué)的彭練矛教授，以及中科院物理所的呂力和翁羽翔研究員等）決定給予實(shí)驗(yàn)上的合作和大力支持。第三個(gè)“運(yùn)氣”，是當(dāng)時(shí)已經(jīng)是博士生二年級(jí)的江博在鄭泉水的指導(dǎo)下，勇敢地接受了實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)。第四個(gè)“運(yùn)氣”，則是經(jīng)過(guò)近一年的實(shí)驗(yàn)嘗試后，鄭泉水決定采用高定向石墨，而不再是多壁碳納米管，去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。主要的考量是，采用微納加工技術(shù)，可以成批地制備出不同大小、不同形狀的實(shí)驗(yàn)用品。這個(gè)決策的背后，也有隱隱約約的今后更有可能走到大規(guī)模生產(chǎn)的考量。但當(dāng)時(shí)，多位材料大專家都認(rèn)為這是一個(gè)“瘋狂”的想法，因?yàn)槿藗円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)和使用石墨片很長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)間了，從來(lái)沒(méi)有人觀察到滑移開的石墨片能夠縮回去！
一方面，出身理論研究的鄭泉水缺乏實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，這是一個(gè)短板；另一方面，對(duì)理論的“信仰”和深刻理解，使得他有不斷嘗試和堅(jiān)持的底氣。但江博的實(shí)驗(yàn)遇到了極大的困難——頻繁出入于上述合作教授的不同的實(shí)驗(yàn)室，卻一而再、再而三地遭遇失敗。每次失敗后，師生兩人就會(huì)坐下來(lái)，靜靜地分析，找出失敗的可能原因。鄭泉水總能“看到”一絲似乎可能引導(dǎo)走出黑暗的“光”；而江博也總能堅(jiān)持著再回到實(shí)驗(yàn)室去嘗試。這場(chǎng)艱難跋涉，足足進(jìn)行了兩年多。直到2006年，他們終于用微米尺度石墨塊實(shí)現(xiàn)了滑移自縮回運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。打個(gè)比方，這個(gè)現(xiàn)象就猶如將兩塊同樣大小的磚上下疊在一起，將上面的磚往外滑動(dòng)一個(gè)距離（比如磚的1/3長(zhǎng)度），放手后，發(fā)現(xiàn)上面的磚會(huì)自動(dòng)地縮回到疊在一起的位置。
因?yàn)檫@個(gè)神奇的自縮回運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象之前從未有人在任何晶體中發(fā)現(xiàn)過(guò)，激發(fā)了鄭泉水的博士生楊佳瑞和劉澤等去深入實(shí)驗(yàn)探究，并試圖觀察到振蕩現(xiàn)象；劉哲、徐志平和劉益?zhèn)惖葎t致力于理論探究、模型計(jì)算和機(jī)理理解。顯而易見，這需要多學(xué)科的合作。幸運(yùn)的是，為支持這項(xiàng)研究及其代表的多學(xué)科合作模式，清華大學(xué)于2010年設(shè)立并大力資助了以鄭泉水為主任的微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉研究中心。從此，鄭泉水終于有了自己的實(shí)驗(yàn)室，并能夠與來(lái)自多學(xué)科（微納加工、物理、化學(xué)、材料、器件等領(lǐng)域）的合作者（除上述人員外，還有Francoise Grey教授、程曜教授、李志宏教授、李喜德教授、魏飛教授、張瑩瑩副教授等）經(jīng)常“腦力碰撞”。這極大地加速了相關(guān)研究的進(jìn)程。特別是，有了挑戰(zhàn)微米尺度結(jié)構(gòu)超滑“不可能”的條件。經(jīng)過(guò)四年多的努力，鄭泉水、劉澤、楊佳瑞等于2012年證明了產(chǎn)生上述自縮回運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象最不可思議的原因，是微米尺度結(jié)構(gòu)超滑！
早在1983年，人們就預(yù)測(cè)有可能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)超滑；1993年日本學(xué)者平野（Motohisa Hirano）等觀察到了納米尺度結(jié)構(gòu)超滑跡象；2004年荷蘭科學(xué)院院士弗倫肯（Joost Frenken）等首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了納米尺度下結(jié)構(gòu)超滑的存在。再之后，探索更大尺度結(jié)構(gòu)超滑的實(shí)驗(yàn)似乎就陷入了“凍結(jié)”，因?yàn)榘ǜ惪显趦?nèi)的不少學(xué)者認(rèn)為，甚至從理論上“證明”， 更大尺度結(jié)構(gòu)超滑基本不現(xiàn)實(shí)。因此，當(dāng)2012年鄭泉水等在PRL報(bào)道微米尺度結(jié)構(gòu)超滑現(xiàn)象時(shí)，引起了很大的驚嘆。弗倫肯等2012年在《化學(xué)世界》上評(píng)論說(shuō)，“我們之前認(rèn)為這是不可能的”，“這是一個(gè)聰明的經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)的，且極具勇氣的實(shí)驗(yàn)。該現(xiàn)象發(fā)生在介觀尺度，立刻將這個(gè)現(xiàn)象的研究從學(xué)術(shù)興趣轉(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)用。”
隨后，鄭泉水和楊佳瑞、劉澤等又觀察到了高速（25米/秒）的結(jié)構(gòu)超滑，并與魏飛、張瑩瑩等合作，觀察到了厘米長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)超滑。這些重要進(jìn)展于2013年分別發(fā)表在PRL和《自然·納米技術(shù)》雜志上。
故事到此，似乎該告一段落了？因?yàn)?017年度的國(guó)家科技獎(jiǎng)只針對(duì)2013年和之前公開報(bào)道的成果。但正應(yīng)了弗倫肯的預(yù)言，自2012年后，微米尺度結(jié)構(gòu)超滑的發(fā)現(xiàn)立即觸發(fā)了全球范圍的應(yīng)用研究的開始。在中國(guó)，為了鼓勵(lì)鄭泉水團(tuán)隊(duì)朝這個(gè)方向發(fā)展，科技部設(shè)立了關(guān)于超滑的第一個(gè)納米重大研究計(jì)劃，美籍華人企業(yè)家唐仲英先生給予了大筆捐款，北京市科委專項(xiàng)支持，清華海峽研究院給予了不少的幫助。今年9月，清華大學(xué)和深圳市設(shè)立了全球第2個(gè)超滑研究中心-深圳清華大學(xué)研究院超滑技術(shù)研究所。在美國(guó)，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室2018年4月設(shè)立了全球第1個(gè)超滑研究中心。特別值得指出的是，2018年《自然》雜志邀請(qǐng)鄭泉水等發(fā)表了題為“跨尺度的結(jié)構(gòu)超滑和超低摩擦”的展望綜述；《自然·材料》雜志報(bào)道了鄭泉水和他的年輕同事（前博士生）馬明副教授等實(shí)現(xiàn)了首次旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)超滑。因此，可以期待在不久的未來(lái)，結(jié)構(gòu)超滑將有更大、更激動(dòng)人心的故事產(chǎn)生。
