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    我国学者在结构超滑研究领域取得系列重要进展

    日期 2018-12-06   来源:数理科学部   作者:白坤朝 张攀峰 雷天刚  【 】   【打印】   【关闭

    图.(a)微米尺度(1-10 μm)和(b)亚微米尺度(~ 200 nm)石墨岛的结构超滑。(c) 厘米长双壁碳管的结构超滑。(d)类金刚石球、金刚石颗粒以及片状石墨烯形成的宏观极低摩擦界面(引自Nature原文图3)。

      在国家自然科学基金项目(项目批准号:11572173、10832005、50518003、10332020、10121202)等资助下,清华大学工程力学系郑泉水教授团队在结构超滑领域研究中取得重要进展。 研究成果以“Structural Superlubricity and Ultralow Friction across the Length Scales”(跨尺度的结构超滑和超低摩擦)为题,于2018年11月21日在Nature (《自然》)上发表,郑泉水教授为通讯作者之一,合作作者为以色列特拉维夫大学Oded Hod、Michael Urbakh和瑞士巴塞尔大学Ernst Meyer教授。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0704-z。

      两个固体表面直接接触并作相对滑移运动的摩擦、磨损主要源于表面本身的粗糙性、表面之间的夹杂物和化学键等。自1983年M. Peyrard(佩拉尔)和S. Aubry(奥布里)理论上预测出两原子级光滑且非公度接触的范德华固体表面存在几乎为零摩擦、磨损的状态(该状态1991年被命名为超润滑)可能后,由于长期没有证实佩拉尔等预测的超润滑概念,人们渐渐地将超低摩擦现象称作为超润滑,而将前者改称为结构润滑(Structural Lubricity)。2004年,历史上第一次观察到结构超滑(Structural Superlubricity),荷兰科学院院士J. Frenken(弗伦肯)领衔的团队在纳米尺度、超高真空、低速(微米/秒)的条件下观察到石墨-石墨烯界面超滑。由于实验条件过于苛刻无法投入实用,并且包括弗伦肯本人在内的许多科学家,都不仅认为而且在理论上“证明”纳米以上尺度结构超滑难以实现。

      2008年,郑泉水教授团队首次实现微米尺度石墨片在室温大气环境下的自回复现象,并于2012年通过测量该体系单晶石墨界面摩擦力和自锁现象,证实了2008年发现的自回复现象为结构超滑,从而颠覆了人们的有关认识。2012年弗伦肯等在Chemistry World(《化学世界》)上对郑泉水教授团队当年的工作评价到:“这是一个聪明的经过仔细设计的,且极具勇气的实验。该现象发生在介观尺度,立刻将这个现象的研究从学术兴趣转化到实际应用( immediately brings it from academic to practical interest )”。此后,全球性的结构超滑和极低摩擦研究进入一个加速增长期,研究者们在不同的系统中都观测到了结构润滑现象(如图)。

      本篇展望综述介绍了上述进展,并阐述了结构超滑未来的发展趋势和主要面临的挑战。经过科学家的集体探索和研究,结构超滑很可能正处于产生颠覆性关键技术和源头创新技术的前夜,这些技术的产生和应用将为根本性解决摩擦、磨损问题带来希望。




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