清華大學微納米力學與多學科交叉研究中心(簡稱微納力學中心)鄭泉水教授領導的跨學科研究團隊近期在超潤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滑現(xiàn)象的觀察》為題在國際頂尖物理雜志《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發(fā)表。文章第一作者為鄭泉水指導的博士生劉澤。

　　固體之間的摩擦是所有物理現(xiàn)象中最具挑戰(zhàn)性的問題之一。幾千年來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，全世界約1/3的一次性能源由摩擦過程消耗;工業(yè)發(fā)達國家因摩擦磨損造成的損失高達GDP的5%-7%。現(xiàn)代制造領域呈現(xiàn)出超精密化和微型化趨勢，由于比表面積的增大，界面摩擦成為一個決定性的因素。

　　超潤滑(superlubricity)或稱結構潤滑(structural lubricity)是20世紀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，可能出現(xiàn)的界面摩擦和磨損幾乎為零的現(xiàn)象。超潤滑是解決摩擦磨損問題的根本途徑，若能獲得普遍應用，將是人類文明史上的一大進步。過去二十年中超潤滑實驗現(xiàn)象主要在納米尺度以及高真空條件下實現(xiàn)，并且被認為在大尺度下不存在該現(xiàn)象。這極大的限制了超潤滑的實際應用。

　　鄭泉水教授的研究團隊最近取得了突破性進展，他們實現(xiàn)了在微米尺度(1-10微米)以及大氣環(huán)境下的超潤滑。他們的實驗基于鄭泉水、清華大學材料系朱靜院士、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《物理評論快報》上發(fā)表，是所有單晶材料該類現(xiàn)象的第一個發(fā)現(xiàn)。如上圖所示，利用微機械臂推動微米級石墨島(由離子蝕刻高質量石墨制成)可以造成石墨島的分層現(xiàn)象。當釋放微機械臂，在表面能的驅動下，被推出的石墨島上層會自動縮回。

　　微納力學中心的研究團隊根據(jù)表面能驅動力和接觸面積估算的摩擦剪應力上界(0.02-0.04MPa)遠遠小于目前公認的超潤滑摩擦剪應力(0.1-1.0MPa)。當有意識的利用微機械臂旋轉移出的石墨島頂層，他們發(fā)現(xiàn)在特定的角度下，自回復現(xiàn)象完全消失。這些自鎖角度成6次面內(nèi)對稱，和石墨的面內(nèi)晶格對稱性完全吻合。實驗而且證實在自鎖情況下，摩擦剪應力極限提高了3個量級(約為0.1GPa)。

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

　　該研究成果最近被著名的學術網(wǎng)站physicsworld.com頭條報道。在該報道中，超潤滑的奠基者平野元久教授評論：“這是在超潤滑現(xiàn)象超越納米尺度所邁出的一大步(Big Advance)。它可以促進超潤滑現(xiàn)象在機械工程實際中的應用。”以色列Tel Aviv大學的Michael Urbakh教授認為“這是一個非常有趣和令人鼓舞的研究工作，可以推動超潤滑領域和更廣泛意義上的摩擦研究領域的突破性進展。這項工作開辟了制備石墨潤滑劑來提高潤滑性能的新方向。”

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