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)域取得重要進(jìn)展，該工作通過巧妙的實(shí)驗(yàn)，揭示了石墨超滑接觸的摩擦力主要來源于接觸邊緣，并分析了其物理機(jī)理。這一結(jié)果為理解固體間的摩擦問題提供了新的視角，也為超滑器件提供了指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖與典型結(jié)果：（a）使用原子力顯微鏡操縱石墨島，測(cè)量石墨超滑接觸在不同接觸面積與接觸周長條件下的摩擦力。（b）摩擦力與X成線性關(guān)系，通過其斜率與截距可測(cè)出接觸面內(nèi)部與接觸邊緣各自對(duì)摩擦的貢獻(xiàn)。

摩擦是一個(gè)普遍而重要的問題，它對(duì)物理、化學(xué)、生物、工程等領(lǐng)域具有十分重要的意義。在當(dāng)代工業(yè)化社會(huì)，摩擦和其伴隨的磨損消耗了發(fā)達(dá)國家約1/4的能源，引起約80%的機(jī)械部件失效，并使得許多關(guān)鍵技術(shù)遇到發(fā)展瓶頸。設(shè)若兩個(gè)發(fā)生接觸的固體表面之間，在不添加任何潤滑劑的情況下即能實(shí)現(xiàn)“零”摩擦，那么摩擦問題便可迎刃而解。而結(jié)構(gòu)超滑（Structural Superlubricity）現(xiàn)象恰恰為上述看似不可思議的設(shè)想提供了可能性。清華大學(xué)鄭泉水課題組在2008至2012年間的系列工作開創(chuàng)性地利用“石墨島”體系實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)超滑，為顛覆性的超滑技術(shù)帶來了難得機(jī)遇，并在深圳市政府和深圳市坪山區(qū)政府資助下，領(lǐng)導(dǎo)建立了全球第一個(gè)結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)研究機(jī)構(gòu)——深圳清華大學(xué)研究院超滑技術(shù)研究所。

結(jié)構(gòu)超滑的基本理論預(yù)言處于超滑狀態(tài)的接觸在低速條件下摩擦力等于零，實(shí)驗(yàn)證實(shí)超滑接觸摩擦力確實(shí)極低，但并不嚴(yán)格為零。這是由于真實(shí)的超滑接觸面總是有限大的，因此存在邊界，也即是接觸邊緣。我們猜測(cè)，即使接觸面內(nèi)部處于“零”摩擦狀態(tài)，接觸邊緣可能仍然貢獻(xiàn)了可觀的摩擦力，從而使得總摩擦不為零。然而由于實(shí)驗(yàn)方法的限制，以往的研究不能直接測(cè)出邊緣摩擦力的大小，這一猜測(cè)無法驗(yàn)證。這限制了對(duì)結(jié)構(gòu)超滑基本機(jī)理的理解和對(duì)超滑器件的設(shè)計(jì)。

本次報(bào)道的工作正是巧妙地利用了“石墨島”體系，通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，分別標(biāo)定出了石墨超滑接觸的接觸面內(nèi)部和接觸邊緣各自所貢獻(xiàn)的摩擦力大小。結(jié)果表明，超滑接觸摩擦力來自于邊緣，接觸面內(nèi)部的摩擦力貢獻(xiàn)在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)幾乎為零。平均來講，一個(gè)邊緣原子所貢獻(xiàn)的摩擦力比一個(gè)內(nèi)部原子所貢獻(xiàn)的摩擦力要大至少104倍。借助表征手段，該工作進(jìn)一步揭示了這一行為背后的物理機(jī)理。接觸面內(nèi)部摩擦幾乎為零，是因?yàn)槌佑|面為原子級(jí)光滑的單晶面，偶爾觀察到的內(nèi)部缺陷也并不引起額外的摩擦；而接觸邊緣之所以貢獻(xiàn)了主要的摩擦力，是由于邊緣存在大量結(jié)構(gòu)缺陷、化學(xué)基團(tuán)、及環(huán)境吸附物。上述摩擦特點(diǎn)預(yù)示超滑摩擦存在線性的尺度效應(yīng)：即不同大小的超滑接觸，其摩擦力大小正比于特征尺寸的大小。同時(shí)，該論文的結(jié)果也意味著在超滑器件的設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)盡可能減少接觸邊緣所占的比例，以實(shí)現(xiàn)更低的摩擦力。

該工作以“石墨超滑接觸的摩擦來源”（Origin of Friction in Superlubric Graphite Contacts）為題，在線發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。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該論文第一作者，鄭泉水教授為通訊作者，論文合作者還包括博士生王琨淇、博士生王進(jìn)、龔陽玉潔博士、美國賓夕法尼亞大學(xué)的Robert Carpick教授、以色列特拉維夫大學(xué)的Michael Urbakh教授。

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