清华结构超滑研究团队取得重大进展

首次实验展示微米尺度异质界面中旋转稳定的结构超滑特性


清华新闻网7月31日电 7月30日,清华大学结构超滑研究团队在材料领域国际顶级学术期刊《自然·材料》(Nature Materials)上发表了《微米尺度石墨/六方氮化硼层状异质结中的鲁棒性结构超滑》(Robust microscale superlubricity in graphite/hexagonal boron nitride layered heterojunctions)的研究论文,这是该团队在超滑研究领域取得的又一重大进展。

摩擦是人类历史上研究和利用得最久远、最基础、最重要的现象之一,对科学和技术都有十分重要的含义。对科学而言,摩擦尽管听上去简单——两个物体表面之间作相对滑移运动导致的能量消耗,但由于它根源于原子之间的相互作用和断键,是一个以力学原理为主的跨学科、跨尺度、非线性和非保守系统的复杂现象。对技术而言,当今工业化国家依然有高达约1/4能源因摩擦而消耗掉,约80%机械部件失效由于磨损造成;由于摩擦磨损是无法避免的存在,很多关键的技术(从航天器、高铁、计算机存储、到微机电系统等)遇到发展瓶颈;不少美妙的设计,仅能存在于人们的幻想或科幻小说之中。

有没有根本性的解决途径呢?早在1983年人们就提出有可能在两个原子级光滑、且以原子排列非公度接触的固体表面之间实现近零摩擦的概念(现被称之为结构超滑,Structural Superlubricity)。2004年,荷兰科学院院士Frenken教授团队报道了纳米尺度、高真空条件下结构超滑存在的首次实验证实(石墨-石墨烯摩擦副)。但直到2012年,不少学者一直认为更大尺度的结构超滑不可能实现。

 

(a)实验装置图,微米尺度石墨岛在原子力显微镜针尖驱动下相对于六方氮化硼表面滑动;(b)实验测得的微米尺度单晶石墨和六方氮化硼表面间的各向异性摩擦力;(c)不同相对运动速度与环境下,法向载荷对摩擦力的影响。内图表示1000个运动周期内摩擦力的变化;(d)不同法向载荷和环境下,相对运动速度对摩擦力的影响。

2012年,郑泉水教授在清华大学微纳米力学与多学科交叉研究中心(后简称CNMM)领衔的多学科(力学、物理、化学、材料、机械等)研究团队率先在国际上实验证实了微米尺度结构超滑的存在。这个结果不仅颠覆了人们以前长期的认识,更“立刻将这个现象的研究从学术兴趣转化到实际应用”(Frenken评价)。此后,全球性的结构超滑研究进入了一个加速增长期,并期望不久的将来在高端制造、信息、能源、航天等关键领域催生革命性的全新技术。

然而,以往观察到的结构超滑是在单一材料(如石墨)非共度接触下实现的,在旋转接触下会丧失结构超滑特性。本文首次实验展示了微米尺度异质(石墨和六方氮化硼单晶)界面中旋转稳定的结构超滑特性(见图)。此外,观察到异质界面的超滑特性在大气环境条件下持续稳定存在,并且对外部负载表现出几乎无磨损的运动。通过全原子分子动力学模拟,本文进一步揭示了同质和异质范德瓦尔斯界面摩擦各向异性的不同机制。

以上成果是2010年清华微纳米力学与多学科交叉研究中心的又一项交叉合作成功案例,主要体现在与清华摩擦学国家重点实验室(SKLT)的全面深度合作。自2012年在国际上率先取得微米尺度结构超滑突破以来,CNMM和SKLT的多学科研究群体在国际顶尖期刊发表的超滑研究论文占据了全球该领域的近“半壁江山”。刚刚结题,由郑泉水领衔、主要由CNMM和SKLT成员完成的第一个973超滑专项的成果在《自然》《自然·纳米技术》《自然·材料》《自然·通讯》《物理评论快报》《先进材料》《纳米快讯》等国际期刊发表SCI收录的论文230余篇,申请专利37项,授权13项。

本文的国内作者均为微纳米力学与多学科交叉研究中心成员,第一作者为2014级博士生宋一鸣(CNMM、机械工程系),论文共同通讯作者为马明副教授(机械工程系、SKLT、CNMM)和郑泉水教授(工程力学系、CNMM、SKLT、机械工程系)。论文合作者还包括以色列特拉维夫大学化学学院的大卫·曼德里(Davide Mandelli)博士,奥代德·霍德(Oded Hod)教授和迈克尔·乌尔巴赫(Michael Urbakh)教授。

郑泉水教授长期从事结构超滑研究,已在《自然·材料》《自然·纳米技术》《自然·通讯》《物理评论X》《物理评论快报》这些顶尖杂志上共发表相关论文13篇,为清华大学结构超滑团队的负责人。2017年,郑泉水在结构超滑及其材料体系的力学研究上获得国家自然科学二等奖(第一获奖人)。

马明副教授于2016年初作为“青年千人”加入清华,近4年来相续在《自然·材料》(2篇)《自然·纳米技术》《物理评论X》《物理评论快报》等顶尖杂志上发表了超滑相关的多篇有影响力的论文,现为郑泉水研究团队具体负责超滑研究的核心成员。

原文链接:

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

供稿:微纳米力学与多学科交叉研究中心 编辑:华山 审核:程曦

2018年07月31日 10:21:15  清华新闻网

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