原標題：清華結構超滑研究團隊取得重大進展首次實驗展示微米尺度異質界面中旋轉穩(wěn)定的結構超滑特性

清華新聞網7月31日電 7月30日，清華大學結構超滑研究團隊在材料領域國際頂級學術期刊《自然·材料》(Nature Materials)上發(fā)表了《微米尺度石墨/六方氮化硼層狀異質結中的魯棒性結構超滑》（Robust microscale superlubricity in graphite/hexagonal boron nitride layered heterojunctions）的研究論文，這是該團隊在超滑研究領域取得的又一重大進展。

摩擦是人類歷史上研究和利用得最久遠、最基礎、最重要的現象之一，對科學和技術都有十分重要的含義。對科學而言，摩擦盡管聽上去簡單——兩個物體表面之間作相對滑移運動導致的能量消耗，但由于它根源于原子之間的相互作用和斷鍵，是一個以力學原理為主的跨學科、跨尺度、非線性和非保守系統(tǒng)的復雜現象。對技術而言，當今工業(yè)化國家依然有高達約1/4能源因摩擦而消耗掉，約80%機械部件失效由于磨損造成；由于摩擦磨損是無法避免的存在，很多關鍵的技術（從航天器、高鐵、計算機存儲、到微機電系統(tǒng)等）遇到發(fā)展瓶頸；不少美妙的設計，僅能存在于人們的幻想或科幻小說之中。

有沒有根本性的解決途徑呢？早在1983年人們就提出有可能在兩個原子級光滑、且以原子排列非公度接觸的固體表面之間實現近零摩擦的概念（現被稱之為結構超滑,Structural Superlubricity）。2004年，荷蘭科學院院士Frenken教授團隊報道了納米尺度、高真空條件下結構超滑存在的首次實驗證實（石墨-石墨烯摩擦副）。但直到2012年，不少學者一直認為更大尺度的結構超滑不可能實現。

（a）實驗裝置圖，微米尺度石墨島在原子力顯微鏡針尖驅動下相對于六方氮化硼表面滑動；（b）實驗測得的微米尺度單晶石墨和六方氮化硼表面間的各向異性摩擦力；（c）不同相對運動速度與環(huán)境下，法向載荷對摩擦力的影響。內圖表示1000個運動周期內摩擦力的變化；（d）不同法向載荷和環(huán)境下，相對運動速度對摩擦力的影響。

2012年，鄭泉水教授在清華大學微納米力學與多學科交叉研究中心（后簡稱CNMM）領銜的多學科（力學、物理、化學、材料、機械等）研究團隊率先在國際上實驗證實了微米尺度結構超滑的存在。這個結果不僅顛覆了人們以前長期的認識，更“立刻將這個現象的研究從學術興趣轉化到實際應用”（Frenken評價）。此后，全球性的結構超滑研究進入了一個加速增長期，并期望不久的將來在高端制造、信息、能源、航天等關鍵領域催生革命性的全新技術。

然而，以往觀察到的結構超滑是在單一材料（如石墨）非共度接觸下實現的，在旋轉接觸下會喪失結構超滑特性。本文首次實驗展示了微米尺度異質（石墨和六方氮化硼單晶）界面中旋轉穩(wěn)定的結構超滑特性（見圖）。此外，觀察到異質界面的超滑特性在大氣環(huán)境條件下持續(xù)穩(wěn)定存在，并且對外部負載表現出幾乎無磨損的運動。通過全原子分子動力學模擬，本文進一步揭示了同質和異質范德瓦爾斯界面摩擦各向異性的不同機制。

以上成果是2010年清華微納米力學與多學科交叉研究中心的又一項交叉合作成功案例，主要體現在與清華摩擦學國家重點實驗室（SKLT）的全面深度合作。自2012年在國際上率先取得微米尺度結構超滑突破以來，CNMM和SKLT的多學科研究群體在國際頂尖期刊發(fā)表的超滑研究論文占據了全球該領域的近“半壁江山”。剛剛結題，由鄭泉水領銜、主要由CNMM和SKLT成員完成的第一個973超滑專項的成果在《自然》《自然·納米技術》《自然·材料》《自然·通訊》《物理評論快報》《先進材料》《納米快訊》等國際期刊發(fā)表SCI收錄的論文230余篇，申請專利37項，授權13項。

本文的國內作者均為微納米力學與多學科交叉研究中心成員，第一作者為2014級博士生宋一鳴（CNMM、機械工程系），論文共同通訊作者為馬明副教授（機械工程系、SKLT、CNMM）和鄭泉水教授（工程力學系、CNMM、SKLT、機械工程系）。論文合作者還包括以色列特拉維夫大學化學學院的大衛(wèi)·曼德里（Davide Mandelli）博士，奧代德·霍德（Oded Hod）教授和邁克爾·烏爾巴赫（Michael Urbakh）教授。

鄭泉水教授長期從事結構超滑研究，已在《自然·材料》《自然·納米技術》《自然·通訊》《物理評論快報》等頂尖雜志上發(fā)表相關論文10余篇，為結構超滑團隊的負責人。2017年，鄭泉水在結構超滑及其材料體系的力學研究方面獲得國家自然科學二等獎（第一獲獎人）。

馬明副教授于2016年初作為“青年千人”加入清華，近4年來相續(xù)在《自然·材料》（2篇）《自然·納米技術》《物理評論》《物理評論快報》等頂尖雜志上發(fā)表了超滑相關的多篇有影響的論文，現為鄭泉水研究團隊具體負責超滑研究的核心成員。

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https://www./articles/s41563-018-0144-z

供稿：微納米力學與多學科交叉研究中心 編輯：華山 審核：程曦