愛因斯坦說：“如果一個想法最初聽起來不荒謬,，那就不要對它寄予希望,。”而鄭泉水教授和他的一群博士生在2017年國家自然科學(xué)獎二等獎項目“范德華層狀介質(zhì)的滑移行為和力學(xué)模型”（獲獎人：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“荒謬”甚至“不可能”的問題,，需要投入滿腔熱情和勇氣，百折不撓地堅持,，再加上或多或少的運氣,。
結(jié)構(gòu)超滑（Structural Superlubricity）是指兩個固體表面直接接觸做相對滑移運動時，出現(xiàn)幾乎為零（簡稱“零”）的摩擦和磨損的狀態(tài),。絕對的零接觸摩擦在物理中是不可能的,，那么，在兩個原子級光滑的范德華表面（如石墨烯,、二硫化鉬等二維材料）之間有沒有可能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)超滑呢,？“零”摩擦的一個自然推論是零磨損，這意味著“無限長”的壽命,。想想“永動機”的“下場”,，結(jié)構(gòu)超滑的想法也的確夠瘋狂的。
因為一個偶然機遇,，鄭泉水參與到這場“瘋狂的游戲”中——《科學(xué)》雜志曾在2000年報道了一個有趣的現(xiàn)象：多壁碳納米管的一個芯管抽出后,，可以自發(fā)縮回運動到外管中去。鄭泉水和合作者,、美國加州大學(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）機械振蕩器,。文章于2002年在《物理評論快報》（簡稱PRL）報道后，多位著名學(xué)者在《物理評論聚焦》上表示,，這是第一個該類納米器件,，有很大意義，但同時也對實驗物理學(xué)家提出了巨大挑戰(zhàn),。事實上,，直到最近實驗才測到了該文預(yù)言的機械振蕩現(xiàn)象，可見這的確是一個不小的挑戰(zhàn),。
鄭泉水曾于2004年以純理論的項目“張量函數(shù)表示理論與本構(gòu)方程不變性研究”獲得過國家自然科學(xué)二等獎（獲獎人：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,，幾乎沒做過實驗研究，也沒有實驗室,。他半開玩笑地說,，自己于2003年開始嘗試振蕩器的實驗時，真可謂“無知者無畏”呀,！多年后的今天回看這項研究,，鄭泉水認(rèn)為自己之所以能“生存”下來，以往建立的學(xué)術(shù)聲譽,、堅持,、運氣和學(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優(yōu)秀博士論文獎,，所以即使是參與一項全新的探索，學(xué)生對老師的判斷也會有較充分的信任,。另外需要特別指出的是,，無論鄭泉水在這場漫長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，研究遇到的第一個“運氣”,，是在時任國家自然科學(xué)基金委數(shù)理學(xué)部主任白以龍院士和中科院物理所解思深院士的引薦和支持下,，國家自然科學(xué)基金委撥出1/3的委主任基金緊急啟動了這項實驗研究；緊接著,，清華大學(xué)撥出了100萬自主研究經(jīng)費支持實驗的開展,。第二個“運氣”，是當(dāng)時有來自不同學(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）決定給予實驗上的合作和大力支持,。第三個“運氣”，是當(dāng)時已經(jīng)是博士生二年級的江博在鄭泉水的指導(dǎo)下,，勇敢地接受了實驗的挑戰(zhàn),。第四個“運氣”，則是經(jīng)過近一年的實驗嘗試后,，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)計實驗,。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,、不同形狀的實驗用品,。這個決策的背后，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,，多位材料大專家都認(rèn)為這是一個“瘋狂”的想法，因為人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和使用石墨片很長很長時間了,，從來沒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驗的經(jīng)驗,，這是一個短板,；另一方面，對理論的“信仰”和深刻理解,，使得他有不斷嘗試和堅持的底氣,。但江博的實驗遇到了極大的困難——頻繁出入于上述合作教授的不同的實驗室，卻一而再,、再而三地遭遇失敗,。每次失敗后，師生兩人就會坐下來,，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”,；而江博也總能堅持著再回到實驗室去嘗試,。這場艱難跋涉，足足進行了兩年多,。直到2006年,，他們終于用微米尺度石墨塊實現(xiàn)了滑移自縮回運動現(xiàn)象,。打個比方，這個現(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一個距離（比如磚的1/3長度）,，放手后，發(fā)現(xiàn)上面的磚會自動地縮回到疊在一起的位置,。
因為這個神奇的自縮回運動現(xiàn)象之前從未有人在任何晶體中發(fā)現(xiàn)過,，激發(fā)了鄭泉水的博士生楊佳瑞和劉澤等去深入實驗探究，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、模型計算和機理理解,。顯而易見,，這需要多學(xué)科的合作。幸運的是,，為支持這項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驗室,，并能夠與來自多學(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)生上述自縮回運動現(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)測有可能實現(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）等首次實驗證實了納米尺度下結(jié)構(gòu)超滑的存在。再之后,，探索更大尺度結(jié)構(gòu)超滑的實驗似乎就陷入了“凍結(jié)”,，因為包括弗倫肯在內(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。因此,，當(dāng)2012年鄭泉水等在PRL報道微米尺度結(jié)構(gòu)超滑現(xiàn)象時,，引起了很大的驚嘆。弗倫肯等2012年在《化學(xué)世界》上評論說,，“我們之前認(rèn)為這是不可能的”,，“這是一個聰明的經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計的，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。”
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,，觀察到了厘米長度的結(jié)構(gòu)超滑。這些重要進展于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？因為2017年度的國家科技獎只針對2013年和之前公開報道的成果,。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,，為了鼓勵鄭泉水團隊朝這個方向發(fā)展，科技部設(shè)立了關(guān)于超滑的第一個納米重大研究計劃,，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,，阿貢國家實驗室2018年4月設(shè)立了全球第1個超滑研究中心,。特別值得指出的是,，2018年《自然》雜志邀請鄭泉水等發(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》雜志報道了鄭泉水和他的年輕同事（前博士生）馬明副教授等實現(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，結(jié)構(gòu)超滑將有更大,、更激動人心的故事產(chǎn)生,。
