清華新聞網(wǎng)5月26日電 近日，清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心鄭泉水院士研究組在結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該研究采用巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)在轉(zhuǎn)移至納米結(jié)構(gòu)表面上的單晶石墨片中心施加集中力，實(shí)現(xiàn)石墨片邊緣的翹曲，消除石墨片邊緣與基板之間的強(qiáng)相互作用，進(jìn)而在大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)石墨薄片和納米結(jié)構(gòu)硅表面之間穩(wěn)健的結(jié)構(gòu)超滑狀態(tài)。研究不僅挑戰(zhàn)了摩擦學(xué)和結(jié)構(gòu)超滑的傳統(tǒng)理解，即較粗糙的表面會(huì)導(dǎo)致更高的摩擦并導(dǎo)致磨損，而且還證明了具有單晶表面的石墨片在無(wú)邊緣接觸的條件下，可以與任何非范德瓦爾斯材料實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的結(jié)構(gòu)超滑狀態(tài)。此外，該研究提供了一種通用的表面改性方法，推動(dòng)結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)在大氣環(huán)境中得以廣泛應(yīng)用。
超滑石墨片和兩種硅表面的摩擦力測(cè)量。（a）測(cè)量石墨/硅界面摩擦力的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。將硅牢固地固定在壓電陶瓷換能器 （PZT）平臺(tái)上，其上放置了帶有Au蓋的石墨片。法向力和側(cè)向力是通過(guò)將原子力顯微鏡（AFM）探針尖端壓在A(yíng)u蓋頂部來(lái)施加的。當(dāng)PZT載物臺(tái)以速度v往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，AFM探針尖端將拖拽石墨片在硅上往復(fù)滑動(dòng)。（b）實(shí)驗(yàn)裝置的光學(xué)顯微圖像。（c）和（e）分別是原子級(jí)光滑硅表面和納米結(jié)構(gòu)硅表面的表面形貌。（d）和（f）分別為石墨片在原子級(jí)光滑硅表面和納米結(jié)構(gòu)硅表面滑動(dòng)時(shí)的側(cè)向力信號(hào)，滑動(dòng)位移幅度為1μm，速度為2 μm/s，法向力為20.04μN(yùn)。
摩擦和磨損是自然界耦合在一起的兩種基本物理現(xiàn)象，在機(jī)械系統(tǒng)中造成了巨大的能源浪費(fèi)、環(huán)境污染和部件故障，導(dǎo)致一大批關(guān)鍵技術(shù)難以攻克，例如基于平面運(yùn)動(dòng)形式的微機(jī)電系統(tǒng)、微型機(jī)器人等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)中化石燃料提供的能量有近三分之一被摩擦消耗掉。而在微觀(guān)世界中，基于尺度效應(yīng)，界面摩擦和磨損將成為與其他效應(yīng)相比最重要的問(wèn)題之一，從而導(dǎo)致器件極其容易失效，可靠性低，難以走向批量化應(yīng)用。雖然有機(jī)油等液體潤(rùn)滑劑在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)摩擦磨損有很大的抑制作用，但在強(qiáng)約束和極端外部條件下，例如高外部載荷、高溫以及存在化學(xué)污染或在真空環(huán)境中，液體潤(rùn)滑將會(huì)失效。并且，基于液體內(nèi)部剪切的潤(rùn)滑在納米尺度上由于粘度會(huì)大大增加，也會(huì)導(dǎo)致失效，這將很難應(yīng)用于微觀(guān)場(chǎng)景，例如微機(jī)電系統(tǒng)、微型傳感器、微型機(jī)器人等。因此，要解決上述問(wèn)題，就需要一種從本質(zhì)物理特性上減少摩擦、消除磨損的有效技術(shù)，而不是引入其他間接物質(zhì)作為摩擦副。
結(jié)構(gòu)超滑（Structural Superlubricity）指的是兩個(gè)完全接觸的固體表面在滑動(dòng)過(guò)程中，保持幾乎為零的摩擦力和零磨損的狀態(tài)，為上述挑戰(zhàn)提供了一種顛覆性的解決方案。2012年鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)第一次在大氣環(huán)境中以每秒量級(jí)的速度實(shí)現(xiàn)了微米尺度結(jié)構(gòu)超滑，開(kāi)創(chuàng)了結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)。隨后，團(tuán)隊(duì)對(duì)高速結(jié)構(gòu)超滑（達(dá)到293）的探索進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛興趣。這些應(yīng)用包括基于結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的超級(jí)微發(fā)電機(jī)和電致彈簧諧振器，展示了結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的多種潛力。在深圳市政府和深圳市坪山區(qū)政府資助下，鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)建立了全球第一個(gè)結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)研究機(jī)構(gòu)——深圳清華大學(xué)研究院超滑技術(shù)研究所。
值得注意的是，在最近的進(jìn)展中，結(jié)構(gòu)超滑狀態(tài)已被證明可以在單晶石墨片和各種非范德瓦爾斯材料之間實(shí)現(xiàn)，例如類(lèi)金剛石碳（DLC）、硅（Si）、二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al3O2）、氮化硅（Si3N4）等，這顯著拓寬了結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的材料選擇。然而，由于石墨片不可避免存在邊緣缺陷，這將導(dǎo)致石墨在原子級(jí)平坦的硅表面上滑動(dòng)時(shí)，存在一定概率的高摩擦（>5 μN(yùn)）和發(fā)生相應(yīng)的磨損，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)超滑狀態(tài)失效。因此，該研究設(shè)計(jì)了一種表面修飾工藝，制備了均勻的納米結(jié)構(gòu)陣列，研究人員發(fā)現(xiàn)單晶石墨片與納米結(jié)構(gòu)硅表面之間可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)超滑狀態(tài)，摩擦力始終小于1μN(yùn)，并且沒(méi)有可觀(guān)察到的原子級(jí)磨損。通過(guò)詳細(xì)的表征和模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致上述優(yōu)異性能的機(jī)制是納米結(jié)構(gòu)表面的石墨片邊緣在集中力作用下會(huì)發(fā)生翹曲，從而消除了石墨片邊緣與襯底之間的強(qiáng)相互作用，進(jìn)而消除了磨損，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)超滑狀態(tài)。
該研究以“具有高電流密度和超長(zhǎng)壽命的微型肖特基超滑微發(fā)電機(jī)”（Robust microscale structural superlubricity between graphite and nanostructured surface）為題，在線(xiàn)發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）上。清華大學(xué)微納米力學(xué)中心、清華大學(xué)機(jī)械工程系先進(jìn)裝備摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生黃軒宇為該論文第一作者，清華大學(xué)機(jī)械工程系馬明副教授和清華大學(xué)、清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心鄭泉水院士為該論文的共同通訊作者，論文合作者還包括博士生李騰飛、王進(jìn)博士、夏凱碩士、博士生譚子裴、彭德利博士、向小健博士、清華大學(xué)劉彬教授。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38680-6
供稿：航天航空學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
