清华大学郑泉水课题组研究发现“高速超润滑”
来源：清力技术 2013-07-08
清华新闻网7月8日电 近日，清华大学微纳米力学中心（CNMM）主任郑泉水教授主持的课题组在美国《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表文章（J. Yang et al., 110, 255504 (2013)）展示了一种理论概念“超润滑”现象的可实用性，即在微米尺度和米每秒的宏观速度下将摩擦降低至几乎为0。该工作被美国物理学会（APS）新闻网站Physics重点报道。论文第一作者为清华大学微纳米力学中心博士生杨佳瑞。
清华大学和特拉维夫大学的研究人员合作发现，原本仅限于学术领域的超润滑现象可以让微器件以90公里每小时的速度发生相对滑动，快如高速公路上的汽车。
没有摩擦的世界是很难想象的。摩擦为鞋子和轮胎提供了向前驱动的抓地力。没有摩擦，公路将会如冰面一样滑。但是摩擦更会导致巨大的能量浪费。为了减少这种浪费，润滑剂在从铰链到汽车引擎等许多领域被广泛应用，并且价格不菲。然而，尽管有润滑技术，全球仍有约三分之一的用于运输的燃料能源消耗在克服摩擦上，并没有提供有效的功率。
当系统尺寸缩小到微芯片的大小时，情况就变得更糟。在微观尺度，物体极高的表面积-体积比，使得摩擦这种表面现象变得十分显著，进而大大阻碍了物体的运动。另一方面，由于尺度的原因，在微器件中加入润滑剂是十分困难的。
该课题组之前曾报道过单晶石墨片在解理滑移后的自发回复原位的现象，简称自回复现象。
这种自回复现象来源于石墨片的解理面通常为转动晶界，也就是说解理面上下层原子的晶格处于失配状态。因此上下表面在发生相对滑移时受到的摩擦力几乎为0。这种由晶格失配导致的消除摩擦的现象正是超润滑的定义。
在最新的这项与以色列特拉维夫大学的摩擦理论专家Michael Urbakh的合作研究中，杨佳瑞基于激光刀口法建立了一套检测石墨片自回复运动的设备，并成功的测量了其速度。Urbakh教授对此评价道：“我已经研究超润滑的理论多年，在普通的光学显微镜下观察到这种效应将该领域向前推进了一大步。”
实验结果表明，一个边长为3微米的方形石墨纳米级薄片在自回复运动中可以达到25 m/s（90公里每小时）的滑动速度。有趣的是，这一最高速度是在将石墨片加热到100摄氏度以上才能达到。研究人员对此现象的解释是，温度的升高增加了石墨片原子的振动，帮助它克服了由不可避免的界面缺陷导致的阻碍滑动的势垒。
在这项工作之前，超润滑的实验只能在微米每秒的速度下进行，大致等同于蜗牛的爬行速度。而且这些实验条件苛刻，要求超高真空以及纳米级的接触点。对此郑泉水教授评论道：“在如此大的尺度下观察到高速超润滑，并且是在普通的大气环境下，这为超润滑概念提供了实用化的可能。”
未来可能的应用包括小型化的硬盘读写磁头、用于无线通讯的高频振荡器以及其他依赖高速运动的微器件。
编辑：范丽
审核：程曦
清华大学和特拉维夫大学的研究人员合作发现，原本仅限于学术领域的超润滑现象可以让微器件以90公里每小时的速度发生相对滑动，快如高速公路上的汽车。
没有摩擦的世界是很难想象的。摩擦为鞋子和轮胎提供了向前驱动的抓地力。没有摩擦，公路将会如冰面一样滑。但是摩擦更会导致巨大的能量浪费。为了减少这种浪费，润滑剂在从铰链到汽车引擎等许多领域被广泛应用，并且价格不菲。然而，尽管有润滑技术，全球仍有约三分之一的用于运输的燃料能源消耗在克服摩擦上，并没有提供有效的功率。
当系统尺寸缩小到微芯片的大小时，情况就变得更糟。在微观尺度，物体极高的表面积-体积比，使得摩擦这种表面现象变得十分显著，进而大大阻碍了物体的运动。另一方面，由于尺度的原因，在微器件中加入润滑剂是十分困难的。
该课题组之前曾报道过单晶石墨片在解理滑移后的自发回复原位的现象，简称自回复现象。
这种自回复现象来源于石墨片的解理面通常为转动晶界，也就是说解理面上下层原子的晶格处于失配状态。因此上下表面在发生相对滑移时受到的摩擦力几乎为0。这种由晶格失配导致的消除摩擦的现象正是超润滑的定义。
在最新的这项与以色列特拉维夫大学的摩擦理论专家Michael Urbakh的合作研究中，杨佳瑞基于激光刀口法建立了一套检测石墨片自回复运动的设备，并成功的测量了其速度。Urbakh教授对此评价道：“我已经研究超润滑的理论多年，在普通的光学显微镜下观察到这种效应将该领域向前推进了一大步。”
实验结果表明，一个边长为3微米的方形石墨纳米级薄片在自回复运动中可以达到25 m/s（90公里每小时）的滑动速度。有趣的是，这一最高速度是在将石墨片加热到100摄氏度以上才能达到。研究人员对此现象的解释是，温度的升高增加了石墨片原子的振动，帮助它克服了由不可避免的界面缺陷导致的阻碍滑动的势垒。
在这项工作之前，超润滑的实验只能在微米每秒的速度下进行，大致等同于蜗牛的爬行速度。而且这些实验条件苛刻，要求超高真空以及纳米级的接触点。对此郑泉水教授评论道：“在如此大的尺度下观察到高速超润滑，并且是在普通的大气环境下，这为超润滑概念提供了实用化的可能。”
未来可能的应用包括小型化的硬盘读写磁头、用于无线通讯的高频振荡器以及其他依赖高速运动的微器件。
报道转自清华新闻网
供稿：清华大学航天航空学院 编辑：范丽
审核：程曦
