清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉研究中心(簡(jiǎn)稱微納力學(xué)中心)鄭泉水教授領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)近期在超潤(rùn)滑研究方面取得重大突破。該研究成果近日以《微米尺度石墨中超潤(rùn)滑現(xiàn)象的觀察》為題在國(guó)際頂尖物理雜志《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上發(fā)表。文章第一作者為鄭泉水指導(dǎo)的博士生劉澤。

　　固體之間的摩擦是所有物理現(xiàn)象中最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。幾千年來(lái)人類一直在努力控制和減小摩擦(例如車輪和車軸之間的摩擦)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約1/3的一次性能源由摩擦過(guò)程消耗;工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家因摩擦磨損造成的損失高達(dá)GDP的5%-7%?，F(xiàn)代制造領(lǐng)域呈現(xiàn)出超精密化和微型化趨勢(shì)，由于比表面積的增大，界面摩擦成為一個(gè)決定性的因素。

　　超潤(rùn)滑(superlubricity)或稱結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑(structural lubricity)是20世紀(jì)90年代早期由平野元久(Motohisa Hirano)提出的由于晶體表面以非公度形式接觸時(shí)，可能出現(xiàn)的界面摩擦和磨損幾乎為零的現(xiàn)象。超潤(rùn)滑是解決摩擦磨損問(wèn)題的根本途徑，若能獲得普遍應(yīng)用，將是人類文明史上的一大進(jìn)步。過(guò)去二十年中超潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象主要在納米尺度以及高真空條件下實(shí)現(xiàn)，并且被認(rèn)為在大尺度下不存在該現(xiàn)象。這極大的限制了超潤(rùn)滑的實(shí)際應(yīng)用。

　　鄭泉水教授的研究團(tuán)隊(duì)最近取得了突破性進(jìn)展，他們實(shí)現(xiàn)了在微米尺度(1-10微米)以及大氣環(huán)境下的超潤(rùn)滑。他們的實(shí)驗(yàn)基于鄭泉水、清華大學(xué)材料系朱靜院士、物理系薛其坤院士等的研究小組合作于幾年前發(fā)現(xiàn)的石墨島奇妙的自縮回現(xiàn)象，成果于2008年在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表，是所有單晶材料該類現(xiàn)象的第一個(gè)發(fā)現(xiàn)。如上圖所示，利用微機(jī)械臂推動(dòng)微米級(jí)石墨島(由離子蝕刻高質(zhì)量石墨制成)可以造成石墨島的分層現(xiàn)象。當(dāng)釋放微機(jī)械臂，在表面能的驅(qū)動(dòng)下，被推出的石墨島上層會(huì)自動(dòng)縮回。

　　微納力學(xué)中心的研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)表面能驅(qū)動(dòng)力和接觸面積估算的摩擦剪應(yīng)力上界(0.02-0.04MPa)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前公認(rèn)的超潤(rùn)滑摩擦剪應(yīng)力(0.1-1.0MPa)。當(dāng)有意識(shí)的利用微機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)移出的石墨島頂層，他們發(fā)現(xiàn)在特定的角度下，自回復(fù)現(xiàn)象完全消失。這些自鎖角度成6次面內(nèi)對(duì)稱，和石墨的面內(nèi)晶格對(duì)稱性完全吻合。實(shí)驗(yàn)而且證實(shí)在自鎖情況下，摩擦剪應(yīng)力極限提高了3個(gè)量級(jí)(約為0.1GPa)。

　　這說(shuō)明石墨島的自縮回現(xiàn)象是超潤(rùn)滑的直接體現(xiàn)，清楚地展現(xiàn)了微米尺度的超潤(rùn)滑可以出現(xiàn)。特別值得注意的是該超潤(rùn)滑現(xiàn)象可以在大氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，并且具有極好的重復(fù)性。

　　該研究成果最近被著名的學(xué)術(shù)網(wǎng)站physicsworld.com頭條報(bào)道。在該報(bào)道中，超潤(rùn)滑的奠基者平野元久教授評(píng)論：“這是在超潤(rùn)滑現(xiàn)象超越納米尺度所邁出的一大步(Big Advance)。它可以促進(jìn)超潤(rùn)滑現(xiàn)象在機(jī)械工程實(shí)際中的應(yīng)用。”以色列Tel Aviv大學(xué)的Michael Urbakh教授認(rèn)為“這是一個(gè)非常有趣和令人鼓舞的研究工作，可以推動(dòng)超潤(rùn)滑領(lǐng)域和更廣泛意義上的摩擦研究領(lǐng)域的突破性進(jìn)展。這項(xiàng)工作開(kāi)辟了制備石墨潤(rùn)滑劑來(lái)提高潤(rùn)滑性能的新方向。”

　　這項(xiàng)研究是與澳大利亞莫納什大學(xué)劉哲高級(jí)講師、清華大學(xué)微納力學(xué)中心的程曜教授、弗朗索瓦.格雷(Francois Grey)教授等的研究小組合作完成的，由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)家重大研究發(fā)展計(jì)劃、863計(jì)劃資助。