近日，清華大學(xué)化工系魏飛教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心、北京大學(xué)信息學(xué)院合作，在超潤滑領(lǐng)域取得重大突破，在世界上首次檢測到了大氣環(huán)境下厘米以上長度碳納米管管層間的超潤滑現(xiàn)象。所實(shí)現(xiàn)的超潤滑尺度比以前報(bào)道結(jié)果的最高值高出3個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)所得到的摩擦剪切強(qiáng)度比以前報(bào)道結(jié)果的最低值降低了4個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)成果以《Superlubricity in Centimetres-Long Double-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions》 （大氣環(huán)境下厘米級(jí)長度雙壁碳納米管上的超潤滑）為標(biāo)題于2013年11月3日在線發(fā)表在國際納米領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然—納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上。《自然—納米技術(shù)》還同期刊出了專題評(píng)論文章，邀請(qǐng)世界著名摩擦理論專家、以色列特拉維夫大學(xué)的Michael Urbakh教授對(duì)這一重大發(fā)現(xiàn)給予評(píng)論。文章的第一作者為清華大學(xué)化工系博士生張如范。

圖為雙壁碳納米管管壁之間存在超潤滑的示意圖，該圖表示：從理論上講，無論碳納米管有多長，都可以用微小的力將其內(nèi)層從管中抽出。

摩擦現(xiàn)象一直是人類面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題之一。全世界約1/3至1/2的一次性能源由摩擦過程消耗；工業(yè)發(fā)達(dá)國家因摩擦磨損造成的損失高達(dá)GDP的5%-7%。在微觀尺度，由于材料比表面積增大，使得摩擦現(xiàn)象更加顯著。因此，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)系統(tǒng)尺寸縮小到微納米尺度時(shí)，界面摩擦成為制約器件性能和壽命的關(guān)鍵因素。解決摩擦磨損問題的根本途徑是實(shí)現(xiàn)固體界面之間的極低摩擦甚至零摩擦，即超潤滑。

超潤滑(superlubricity) 是20世紀(jì)90年代早期由日本學(xué)者平野元久(Motohisa Hirano)提出的，也稱結(jié)構(gòu)潤滑(structural lubricity)，它是指當(dāng)晶體表面以非公度形式接觸時(shí)，有可能出現(xiàn)界面摩擦和磨損幾乎為零的現(xiàn)象。過去二十年中所發(fā)現(xiàn)的超潤滑現(xiàn)象主要是在納米尺度和高真空條件下實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)宏觀尺度上的超潤滑不僅要求固體表面具有超高的模量，而且要求在宏觀尺度上原子級(jí)平整，無缺陷與位錯(cuò)，如此苛刻的條件使得人們普遍認(rèn)為大尺度下幾乎不可能實(shí)現(xiàn)超潤滑。

碳納米管從結(jié)構(gòu)上看是由石墨烯卷曲而成，由于石墨烯層間只有微弱的范德華力，所以多壁碳納米管的管壁之間很容易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)；另外，碳納米管的內(nèi)外管壁之間的手性結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立的，通常以非公度形式接觸，這為管壁之間的超潤滑提供了條件。然而，理論研究表明，當(dāng)碳納米管存在哪怕只有一個(gè)原子級(jí)別的缺陷時(shí)，其管壁間摩擦力就會(huì)急劇增大。因此，要想用碳納米管研究宏觀尺度的超潤滑，必須首先制備出宏觀長度且具有原子級(jí)完美結(jié)構(gòu)的碳納米管。經(jīng)過近十年的努力，魏飛教授團(tuán)隊(duì)在碳納米管的制備方面取得了一系列突破，制備出了長達(dá)半米長的碳納米管，并且證明了碳納米管在長達(dá)數(shù)厘米的范圍內(nèi)沒有任何缺陷（相關(guān)工作曾多次發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)、《美國化學(xué)會(huì)—納米》（ACS Nano）、《材料化學(xué)》(Chemistry of Materials)等國際知名材料期刊上），這為研究宏觀尺度超潤滑提供了理想材料。

為了方便對(duì)超長的碳納米管的操縱，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了單根碳納米管的納米顆粒標(biāo)記技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了光學(xué)環(huán)境及掃描電鏡下對(duì)大尺度單根碳納米管的定位與操縱（相關(guān)工作發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications, 2013, 4, 1727)和《納米尺度》(Nanoscale, 2013, 5, 6584)上），這為宏觀尺度超潤滑現(xiàn)象的觀察和測量提供了條件。

在上述基礎(chǔ)上，他們首先在光學(xué)顯微鏡下通過用微弱氣流吹動(dòng)碳納米管的方法觀察到了碳納米管管壁之間快速相對(duì)運(yùn)動(dòng)的奇妙現(xiàn)象，進(jìn)而在利用掃描電鏡下的微納米操縱平臺(tái)進(jìn)行雙壁碳納米管內(nèi)層的可控抽出，并測量了管壁間的超低摩擦力。他們發(fā)現(xiàn)，雙壁碳納米管的管壁之間存在著超低的摩擦力（只有1~4 nN），并且這種摩擦力與碳納米管的長度沒有關(guān)系，即無論多長的碳納米管，其內(nèi)層都可以被輕易地抽出來。他們演示了厘米長度碳納米管（長徑比為107）的內(nèi)層抽出，比以前報(bào)道的實(shí)現(xiàn)超潤滑的尺度（約10微米）提高了至少3個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的兩個(gè)表面之間的剪切強(qiáng)度是表征其摩擦力大小的重要參數(shù)，本研究工作中得到的碳納米管管壁之間的剪切強(qiáng)度只有2~3 Pa，比之前所測得的剪切強(qiáng)度最小值（0.04 Mpa）降低了至少4個(gè)數(shù)量級(jí)。

審稿人評(píng)價(jià)說：“這是一項(xiàng)有趣的、并且是激動(dòng)人心的工作：首次從實(shí)驗(yàn)手段上證明了大氣環(huán)境下的宏觀尺度超潤滑現(xiàn)象！這項(xiàng)工作以其里程碑式的新穎發(fā)現(xiàn)確定無疑地證明了宏觀尺度超潤滑的存在，我認(rèn)為這是該工作最為重要和創(chuàng)造性的地方！毫無疑問，這是第一次觀察到從微觀到宏觀尺度下如此低的摩擦力。我還想指出這項(xiàng)工作在發(fā)展實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面所做出的原創(chuàng)性的工作。我認(rèn)為這項(xiàng)工作對(duì)于研究和控制摩擦力做出了重大的、創(chuàng)造性的貢獻(xiàn)；并且堅(jiān)信，這項(xiàng)工作將會(huì)激發(fā)超潤滑研究領(lǐng)域越來越多的實(shí)驗(yàn)研究和技術(shù)應(yīng)用”。

這項(xiàng)工作為下一代全碳電子器件構(gòu)筑、超潤滑機(jī)械開發(fā)以及超高速微納米機(jī)械、電子器件制備提供了基礎(chǔ)。

這項(xiàng)研究工作由清華大學(xué)化工系魏飛教授課題組牽頭，與清華微納米力學(xué)研究中心張瑩瑩副教授、鄭泉水教授和北京大學(xué)信息學(xué)院陳清教授課題組合作完成。國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和國家重大研究發(fā)展計(jì)劃資助了這項(xiàng)研究。