摩擦和磨损是自然界耦合在一起的两种基本物理现象，在机械系统中造成了巨大的能源浪费、环境污染和部件故障，导致一大批关键技术难以攻克，例如基于平面运动形式的微机电系统、微型机器人等。据统计，汽车中化石燃料提供的能量有近三分之一被摩擦消耗掉。而在微观世界中，基于尺度效应，界面摩擦和磨损将成为与其他效应相比最重要的问题之一，从而导致器件极其容易失效，可靠性低，难以走向批量化应用。虽然有机油等液体润滑剂在实际应用中对摩擦磨损有很大的抑制作用，但在强约束和极端外部条件下，例如高外部载荷、高温以及存在化学污染或在真空环境中，液体润滑将会失效。并且，基于液体内部剪切的润滑在纳米尺度上由于粘度会大大增加，也会导致失效，这将很难应用于微观场景，例如微机电系统、微型传感器、微型机器人等。因此，要解决上述问题，就需要一种从本质物理特性上减少摩擦、消除磨损的有效技术，而不是引入其他间接物质作为摩擦副。

结构超滑（Structural Superlubricity）指的是两个完全接触的固体表面在滑动过程中，保持几乎为零的摩擦力和零磨损的状态，为上述挑战提供了一种颠覆性的解决方案。2012年郑泉水院士团队第一次在大气环境中，以米每秒量级的速度实现了微米尺度结构超滑，开创了结构超滑技术。随后，团队对高速结构超滑（达到293 m/s）的探索进一步激发了学术研究领域和实际应用领域的广泛兴趣。这些应用包括基于结构超滑技术的超级微发电机和电致弹簧谐振器，展示了结构超滑技术的多种潜力。在深圳市政府和深圳市坪山区政府资助下，郑泉水院士团队领导建立了全球第一个结构超滑技术研究机构——深圳清华大学研究院超滑技术研究所。

值得注意的是，在最近的进展中，结构超滑状态已被证明可以在单晶石墨片和各种非范德瓦尔斯材料之间实现，例如类金刚石碳（DLC）、硅（Si）、二氧化硅（SiO₂）、氧化铝（Al₃O₂）、氮化硅（Si₃N₄）等，这显著拓宽了结构超滑技术在实际应用中的材料选择。然而，由于石墨片不可避免存在边缘缺陷，这将导致石墨在原子级平坦的硅表面上滑动时，存在一定概率的高摩擦（>5 μN）和发生相应的磨损，导致结构超滑状态失效。因此，该研究设计了一种表面修饰工艺，制备了均匀的纳米结构阵列，研究人员发现单晶石墨片与纳米结构硅表面之间可以实现稳定的结构超滑状态，摩擦力始终小于1 μN，并且没有可观察到的原子级磨损。通过详细的表征和模拟，研究人员发现导致上述优异性能的机制是纳米结构表面的石墨片边缘在集中力作用下会发生翘曲，从而消除了石墨片边缘与衬底之间的强相互作用，进而消除了磨损，实现了稳定的结构超滑状态。

清华大学博士生黄轩宇为论文第一作者、郑泉水院士和清华大学马明副教授为该论文的共同通讯作者，论文合作者还包括清华大学博士生李腾飞和谭子裴、王进博士，深圳清华大学研究院超滑技术研究所夏凯工程师、彭德利博士后和向小健研究员，以及清华大学刘彬教授。
 

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https://www.nature.com/articles/s41467-023-38680-6