近日，清華大學(xué)微納米力學(xué)中心（CNMM）主任鄭泉水教授主持的課題組在美國《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發(fā)表文章（J. Yang et al., 110, 255504 (2013)）展示了一種理論概念“超潤滑”現(xiàn)象的可實(shí)用性，即在微米尺度和米每秒的宏觀速度下將摩擦降低至幾乎為0。該工作被美國物理學(xué)會（APS）新聞網(wǎng)站Physics重點(diǎn)報道。論文第一作者為清華大學(xué)微納米力學(xué)中心博士生楊佳瑞。

清華大學(xué)和特拉維夫大學(xué)的研究人員合作發(fā)現(xiàn)，原本僅限于學(xué)術(shù)領(lǐng)域的超潤滑現(xiàn)象可以讓微器件以90公里每小時的速度發(fā)生相對滑動，快如高速公路上的汽車。

沒有摩擦的世界是很難想象的。摩擦為鞋子和輪胎提供了向前驅(qū)動的抓地力。沒有摩擦，公路將會如冰面一樣滑。但是摩擦更會導(dǎo)致巨大的能量浪費(fèi)。為了減少這種浪費(fèi)，潤滑劑在從鉸鏈到汽車引擎等許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并且價格不菲。然而，盡管有潤滑技術(shù)，全球仍有約三分之一的用于運(yùn)輸?shù)娜剂夏茉聪脑诳朔Σ辽?，并沒有提供有效的功率。

當(dāng)系統(tǒng)尺寸縮小到微芯片的大小時，情況就變得更糟。在微觀尺度，物體極高的表面積-體積比，使得摩擦這種表面現(xiàn)象變得十分顯著，進(jìn)而大大阻礙了物體的運(yùn)動。另一方面，由于尺度的原因，在微器件中加入潤滑劑是十分困難的。

該課題組之前曾報道過單晶石墨片在解理滑移后的自發(fā)回復(fù)原位的現(xiàn)象，簡稱自回復(fù)現(xiàn)象。

這種自回復(fù)現(xiàn)象來源于石墨片的解理面通常為轉(zhuǎn)動晶界，也就是說解理面上下層原子的晶格處于失配狀態(tài)。因此上下表面在發(fā)生相對滑移時受到的摩擦力幾乎為0。這種由晶格失配導(dǎo)致的消除摩擦的現(xiàn)象正是超潤滑的定義。

在最新的這項(xiàng)與以色列特拉維夫大學(xué)的摩擦理論專家Michael Urbakh的合作研究中，楊佳瑞基于激光刀口法建立了一套檢測石墨片自回復(fù)運(yùn)動的設(shè)備，并成功的測量了其速度。Urbakh教授對此評價道：“我已經(jīng)研究超潤滑的理論多年，在普通的光學(xué)顯微鏡下觀察到這種效應(yīng)將該領(lǐng)域向前推進(jìn)了一大步。”

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一個邊長為3微米的方形石墨納米級薄片在自回復(fù)運(yùn)動中可以達(dá)到25 m/s（90公里每小時）的滑動速度。有趣的是，這一最高速度是在將石墨片加熱到100攝氏度以上才能達(dá)到。研究人員對此現(xiàn)象的解釋是，溫度的升高增加了石墨片原子的振動，幫助它克服了由不可避免的界面缺陷導(dǎo)致的阻礙滑動的勢壘。

在這項(xiàng)工作之前，超潤滑的實(shí)驗(yàn)只能在微米每秒的速度下進(jìn)行，大致等同于蝸牛的爬行速度。而且這些實(shí)驗(yàn)條件苛刻，要求超高真空以及納米級的接觸點(diǎn)。對此鄭泉水教授評論道：“在如此大的尺度下觀察到高速超潤滑，并且是在普通的大氣環(huán)境下，這為超潤滑概念提供了實(shí)用化的可能。”

未來可能的應(yīng)用包括小型化的硬盤讀寫磁頭、用于無線通訊的高頻振蕩器以及其他依賴高速運(yùn)動的微器件。