清華結(jié)構(gòu)超滑研究團(tuán)隊(duì)取得重大進(jìn)展
首次實(shí)驗(yàn)展示微米尺度異質(zhì)界面中旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)超滑特性
清華新聞網(wǎng)7月31日電 7月30日，清華大學(xué)結(jié)構(gòu)超滑研究團(tuán)隊(duì)在材料領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·材料》(Nature Materials)上發(fā)表了《微米尺度石墨/六方氮化硼層狀異質(zhì)結(jié)中的魯棒性結(jié)構(gòu)超滑》（Robust microscale superlubricity in graphite/hexagonal boron nitride layered heterojunctions）的研究論文，這是該團(tuán)隊(duì)在超滑研究領(lǐng)域取得的又一重大進(jìn)展。
摩擦是人類(lèi)歷史上研究和利用得最久遠(yuǎn)、最基礎(chǔ)、最重要的現(xiàn)象之一，對(duì)科學(xué)和技術(shù)都有十分重要的含義。對(duì)科學(xué)而言，摩擦盡管聽(tīng)上去簡(jiǎn)單——兩個(gè)物體表面之間作相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的能量消耗，但由于它根源于原子之間的相互作用和斷鍵，是一個(gè)以力學(xué)原理為主的跨學(xué)科、跨尺度、非線(xiàn)性和非保守系統(tǒng)的復(fù)雜現(xiàn)象。對(duì)技術(shù)而言，當(dāng)今工業(yè)化國(guó)家依然有高達(dá)約1/4能源因摩擦而消耗掉，約80%機(jī)械部件失效由于磨損造成；由于摩擦磨損是無(wú)法避免的存在，很多關(guān)鍵的技術(shù)（從航天器、高鐵、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、到微機(jī)電系統(tǒng)等）遇到發(fā)展瓶頸；不少美妙的設(shè)計(jì)，僅能存在于人們的幻想或科幻小說(shuō)之中。
有沒(méi)有根本性的解決途徑呢？早在1983年人們就提出有可能在兩個(gè)原子級(jí)光滑、且以原子排列非公度接觸的固體表面之間實(shí)現(xiàn)近零摩擦的概念（現(xiàn)被稱(chēng)之為結(jié)構(gòu)超滑,Structural Superlubricity）。2004年，荷蘭科學(xué)院院士Frenken教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了納米尺度、高真空條件下結(jié)構(gòu)超滑存在的首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)（石墨-石墨烯摩擦副）。但直到2012年，不少學(xué)者一直認(rèn)為更大尺度的結(jié)構(gòu)超滑不可能實(shí)現(xiàn)。
（a）實(shí)驗(yàn)裝置圖，微米尺度石墨島在原子力顯微鏡針尖驅(qū)動(dòng)下相對(duì)于六方氮化硼表面滑動(dòng)；（b）實(shí)驗(yàn)測(cè)得的微米尺度單晶石墨和六方氮化硼表面間的各向異性摩擦力；（c）不同相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度與環(huán)境下，法向載荷對(duì)摩擦力的影響。內(nèi)圖表示1000個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)摩擦力的變化；（d）不同法向載荷和環(huán)境下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)摩擦力的影響。
2012年，鄭泉水教授在清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉研究中心（后簡(jiǎn)稱(chēng)CNMM）領(lǐng)銜的多學(xué)科（力學(xué)、物理、化學(xué)、材料、機(jī)械等）研究團(tuán)隊(duì)率先在國(guó)際上實(shí)驗(yàn)證實(shí)了微米尺度結(jié)構(gòu)超滑的存在。這個(gè)結(jié)果不僅顛覆了人們以前長(zhǎng)期的認(rèn)識(shí)，更“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”（Frenken評(píng)價(jià)）。此后，全球性的結(jié)構(gòu)超滑研究進(jìn)入了一個(gè)加速增長(zhǎng)期，并期望不久的將來(lái)在高端制造、信息、能源、航天等關(guān)鍵領(lǐng)域催生革命性的全新技術(shù)。
然而，以往觀(guān)察到的結(jié)構(gòu)超滑是在單一材料（如石墨）非共度接觸下實(shí)現(xiàn)的，在旋轉(zhuǎn)接觸下會(huì)喪失結(jié)構(gòu)超滑特性。本文首次實(shí)驗(yàn)展示了微米尺度異質(zhì)（石墨和六方氮化硼單晶）界面中旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)超滑特性（見(jiàn)圖）。此外，觀(guān)察到異質(zhì)界面的超滑特性在大氣環(huán)境條件下持續(xù)穩(wěn)定存在，并且對(duì)外部負(fù)載表現(xiàn)出幾乎無(wú)磨損的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬，本文進(jìn)一步揭示了同質(zhì)和異質(zhì)范德瓦爾斯界面摩擦各向異性的不同機(jī)制。
以上成果是2010年清華微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉研究中心的又一項(xiàng)交叉合作成功案例，主要體現(xiàn)在與清華摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（SKLT）的全面深度合作。自2012年在國(guó)際上率先取得微米尺度結(jié)構(gòu)超滑突破以來(lái)，CNMM和SKLT的多學(xué)科研究群體在國(guó)際頂尖期刊發(fā)表的超滑研究論文占據(jù)了全球該領(lǐng)域的近“半壁江山”。剛剛結(jié)題，由鄭泉水領(lǐng)銜、主要由CNMM和SKLT成員完成的第一個(gè)973超滑專(zhuān)項(xiàng)的成果在《自然》《自然·納米技術(shù)》《自然·材料》《自然·通訊》《物理評(píng)論快報(bào)》《先進(jìn)材料》《納米快訊》等國(guó)際期刊發(fā)表SCI收錄的論文230余篇，申請(qǐng)專(zhuān)利37項(xiàng)，授權(quán)13項(xiàng)。
本文的國(guó)內(nèi)作者均為微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉研究中心成員，第一作者為2014級(jí)博士生宋一鳴（CNMM、機(jī)械工程系），論文共同通訊作者為馬明副教授（機(jī)械工程系、SKLT、CNMM）和鄭泉水教授（工程力學(xué)系、CNMM、SKLT、機(jī)械工程系）。論文合作者還包括以色列特拉維夫大學(xué)化學(xué)學(xué)院的大衛(wèi)·曼德里（Davide Mandelli）博士，奧代德·霍德（Oded Hod）教授和邁克爾·烏爾巴赫（Michael Urbakh）教授。
鄭泉水教授長(zhǎng)期從事結(jié)構(gòu)超滑研究，已在《自然·材料》《自然·納米技術(shù)》《自然·通訊》《物理評(píng)論X》《物理評(píng)論快報(bào)》這些頂尖雜志上共發(fā)表相關(guān)論文13篇，為清華大學(xué)結(jié)構(gòu)超滑團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人。2017年，鄭泉水在結(jié)構(gòu)超滑及其材料體系的力學(xué)研究上獲得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（第一獲獎(jiǎng)人）。
馬明副教授于2016年加入清華，近4年來(lái)相續(xù)在《自然·材料》（2篇）《自然·納米技術(shù)》《物理評(píng)論X》《物理評(píng)論快報(bào)》等頂尖雜志上發(fā)表了超滑相關(guān)的多篇有影響力的論文，現(xiàn)為鄭泉水研究團(tuán)隊(duì)具體負(fù)責(zé)超滑研究的核心成員。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-018-0144-z
供稿：微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉研究中心 編輯：華山 審核：程曦
