郑泉水院士团队在Device期刊发表综述文章：自超滑器件——微系统的新机遇
来源：清力技术 2025-06-05
近日，由清华大学深圳国际研究生院、深圳清华大学研究院超滑技术研究所郑泉水院士领衔的研究团队，携手国内外六所知名高校及科研机构（包括武汉大学、华中科技大学、西安交通大学、宾夕法尼亚大学、南京工业大学以及中国科学院深圳先进技术研究院），在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了题为《Structural Superlubric Slidevices》的重要综述论文。该论文系统阐述了自超滑界面的物理机制与技术特征，揭示了其在突破微系统能耗与寿命瓶颈方面的革命性潜力，为未来微型化器件设计提供了全新范式。
微系统创新发展面临关键挑战
近年来，随着人形机器人、6G通信等新兴技术的崛起，微机电系统（MEMS）对低功耗与高可靠性的需求日益迫切。然而，传统微器件在接触运动中面临的摩擦磨损问题随尺寸缩小而加剧：液体润滑剂在微尺度失效，摩擦热与材料损耗导致性能骤降。现有MEMS多采用弹性形变结构规避滑动接触，但严重制约了功能拓展与构型创新。
自超滑技术具有突破性优势
图1 自超滑微系统与应用场景
自超滑（原称“结构超滑”）是指两个固体表面在无润滑剂的情况下，直接接触且滑动时，同时实现磨损、静摩擦力和摩擦系数三大物理量均为零的奇特状态，其物理本质源于弱范德华界面的晶格失配导致的横向力抵消。2002年清华大学郑泉水院士成功预言第一个自超滑组件。2012年研究团队在全球范围内首次验证了大气环境下“微米尺度”的自超滑现象。历经十余年的基础科学研究和技术攻关，目前研究团队已成功将自超滑材料尺度扩展至毫米级，并掌握完整工艺和配套技术。
根据关键技术指标显示，自超滑材料界面具有优异的环境稳定性：
1.零磨损特性：
石墨材料在空气中可实现至少100公里的滑动零磨损；而在极端条件下，能在9.45GPa高压、17.5GA/m²高电流密度、5K-850K温域中保持零磨损特征。
2.对载荷几乎不敏感：
材料界面摩擦系数低至10⁻⁶量级。
3.滑动速度：
已实现的最高滑动速度达293 m/s，接近声速。当前实验显示摩擦力与速度呈对数关系，但有理论认为理想自超滑界面应呈线性关系。
自超滑器件三大创新方向
区别于传统MEMS依赖微悬臂梁等结构变形的工作模式，“自超滑器件”结合了超低能耗和零磨损的界面特性，能为微纳器件性能带来了质的飞跃。基于不同的功能特点，“自超滑器件”主要分为机械滑动器件、电子滑动器件和可重构滑动器件三大类型，每类都具有独特的应用价值和技术优势。
1.机械滑动器件（Mechanical Slidevices）
基于自超滑界面的微型线性轴承和旋转马达等器件突破了传统微机电系统的限制，能够实现大范围平移和旋转运动，同时具备近乎零摩擦和超长使用寿命的特性，能为微纳尺度机械系统带来革命性的解决方案。
2.电子滑动器件（Electronic Slidevices）
自超滑电子滑动器件是利用滑动界面的电子效应实现能量转换和信息存储，例如微纳米发电机通过滑动过程中的电子激发和传输机制，实现了机械能到电能的高效转换；滑移铁电器件则借助原子级滑移运动完成极化反转，自超滑技术的应用大幅降低了能量损耗和界面势垒，显著提升了器件性能和可靠性。
1.机械滑动器件（Mechanical Slidevices）
基于自超滑界面的微型线性轴承和旋转马达等器件突破了传统微机电系统的限制，能够实现大范围平移和旋转运动，同时具备近乎零摩擦和超长使用寿命的特性，能为微纳尺度机械系统带来革命性的解决方案。
2.电子滑动器件（Electronic Slidevices）
自超滑电子滑动器件是利用滑动界面的电子效应实现能量转换和信息存储，例如微纳米发电机通过滑动过程中的电子激发和传输机制，实现了机械能到电能的高效转换；滑移铁电器件则借助原子级滑移运动完成极化反转，自超滑技术的应用大幅降低了能量损耗和界面势垒，显著提升了器件性能和可靠性。
图2 电子滑动器件（Electronic Slidevices）
3.可重构滑动器件（Reconfigurable Slidevices）
最具突破性的进展来自可重构器件的研究，这类自超滑器件通过精确控制滑动或旋转运动实现结构的动态调整，从而达成功能切换或集成。典型的应用包括通过扭转调控电子能带结构的二维材料异质结，以及利用滑动实现功能实时重构的动态器件，这些创新为发展智能自适应微纳系统开辟了全新途径。
图3 可重构滑动器件（Electronic Slidevices）
展望：多学科协同推动产业变革
展望：多学科协同推动产业变革
自超滑技术的持续突破正推动微系统技术迈向新高度。通过对自超滑机理的深入研究，结合材料制备工艺、界面优化技术和器件设计的协同创新，未来将持续实现具有极低功耗和超长使用寿命的自超滑微系统。这一技术突破将催生包括光电器件、可重构器件等在内的新一代滑动器件，有力促进力学、材料科学、物理学和微电子学等领域的交叉融合与创新发展。当下，在产业化应用方面，深圳清华大学研究院超滑技术研究所在郑泉水院士的指导下取得了显著成果。目前已完成基于自超滑材料的MEMS射频开关、微特电机和微动发电机三款样机开发。未来，这些创新成果将为6G通信、智能机器人及物联网等前沿领域提供了突破性的技术方案。此外，要实现自超滑技术从实验室研究到产业化的跨越，还需要汇聚全球科研机构、产业界和资本市场的力量，通过深度协作共同推进这项变革性技术的发展，为智能装备制造和战略性新兴产业提供核心技术支持，引领微系统技术进入全新时代。
