清華新聞網(wǎng)7月15日電 近日，《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）以“微米尺度石墨超滑界面的表征”（Characterization of a microscale superlubric graphite interface）為題，在線(xiàn)報(bào)道了清華大學(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)超滑領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展。該工作創(chuàng)造性地提出了一種可直接表征微米超滑接觸界面的方法，借此方法研究了超滑界面的多種缺陷對(duì)層間摩擦的影響，建立了超滑界面結(jié)構(gòu)與摩擦行為之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該工作同時(shí)被《物理評(píng)論快報(bào)》選為編輯推薦文章（Editors’Suggestion）。
微米尺度石墨界面結(jié)構(gòu)與摩擦力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（a）對(duì)于具有自回復(fù)特性的樣品1-3，摩擦力幾乎與正壓力無(wú)關(guān)，插圖為不具有自回復(fù)特性樣品8，其摩擦力與正壓力幾乎成正比。（b）樣品2的界面形貌：下表面含有內(nèi)臺(tái)階，上表面含有凸起。（c）樣品3的界面形貌：上下表面無(wú)任何缺陷結(jié)構(gòu)。（d）樣品8的界面形貌：上下表面均存在外臺(tái)階。圖中的尺度棒均為1μm。
摩擦是人類(lèi)歷史上研究和利用的最久遠(yuǎn)、最基礎(chǔ)、最重要的現(xiàn)象之一，對(duì)物理、工程、化學(xué)、生物等領(lǐng)域具有十分重要的意義。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。摩擦、磨損的存在，使得許多關(guān)鍵技術(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。由鄭泉水研究組于2012年開(kāi)創(chuàng)的結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)，是指兩個(gè)微米尺度以上固體接觸間近乎零摩擦、零磨損的現(xiàn)象。該技術(shù)通過(guò)石墨島結(jié)構(gòu)的“自回復(fù)”現(xiàn)象來(lái)巧妙實(shí)現(xiàn)。這個(gè)曾經(jīng)被認(rèn)為“不可能”的技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，一方面為上述問(wèn)題帶來(lái)了根本解決途徑，另一方面為未來(lái)諸多顛覆性技術(shù)帶來(lái)了難得的機(jī)遇。在深圳市政府和深圳市坪山區(qū)政府專(zhuān)款資助下，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)超滑技術(shù)研究所在深圳設(shè)立。
對(duì)微米尺度界面結(jié)構(gòu)的直接表征并將其與觀(guān)測(cè)到的摩擦現(xiàn)象進(jìn)行關(guān)聯(lián)是該領(lǐng)域多年來(lái)的挑戰(zhàn)之一。本文所報(bào)道的工作首先在實(shí)驗(yàn)上發(fā)展了一種可將微米尺度范德華層狀材料接觸界面上表面進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的技術(shù)，這一技術(shù)可控地暴露出原本隱藏在兩個(gè)接觸體之間的接觸界面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該界面的直接表征。我們將該技術(shù)應(yīng)用于微米尺度石墨超滑接觸，首次直接證明了具有自回復(fù)特性的石墨島，其接觸界面為兩個(gè)單晶表面且彼此非公度；同時(shí)在接觸界面的一側(cè)或兩側(cè)偶爾觀(guān)察到內(nèi)部缺陷結(jié)構(gòu)，如埋藏在表層以下的內(nèi)臺(tái)階等結(jié)構(gòu)，但模擬與實(shí)驗(yàn)均表明，這些內(nèi)部缺陷在低速時(shí)不影響接觸界面的超滑特性。與此相反，在不具有自回復(fù)特性的石墨島中，我們觀(guān)察到接觸界面的一側(cè)或兩側(cè)存在暴露于表層的外部缺陷，如外臺(tái)階等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致極大的摩擦。該結(jié)果回答了困擾我們多年的問(wèn)題，即為什么只有部分微米尺度石墨界面具有自回復(fù)特性。這一結(jié)果加深了人們對(duì)超滑界面結(jié)構(gòu)與摩擦行為間聯(lián)系的理解，也為超滑器件的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。
鄭泉水教授2016級(jí)博士生王琨淇為該論文的第一作者，鄭泉水教授和深圳清華大學(xué)研究院超滑技術(shù)研究所的瞿蒼宇博士為共同通訊作者，論文合作者還包括博士生王進(jìn)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所微加工實(shí)驗(yàn)室全保剛副主任工程師。該論文的第一單位為清華大學(xué)機(jī)械工程系和摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合作單位包括清華大學(xué)工程力學(xué)系、清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉研究中心和中國(guó)科學(xué)院物理研究所凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。
文章鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.026101
供稿：航院
編輯：呂婷
