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    鄭泉水等在《自然》發表“跨尺度的結構超滑和超低摩擦”展望綜述
    2018-11-26 16:49:32

    清華新聞網11月26日電 11月22日,清華大學工程力學系、微納米力學與多學科交叉研究中心暨摩擦學國家重點實驗室的鄭泉水教授作為兩位通信作者之一,和三位國外合作者在國際頂級期刊《自然》(Nature)上發表了題為“跨尺度的結構超滑和超低摩擦”(Structural superlubricity and ultralow friction across the length scales)的展望綜述(Perspective)。文章的發表再一次表明了鄭泉水團隊在結構超滑領域的國際引領地位。

    摩擦、磨損對人類社會影響深遠。據統計,全球約1/4的一次性能源因摩擦而損耗,約80%的器件失效由磨損而引起。帶來巨額經濟損失的同時,還造成環境污染和無法挽回的資源浪費。進一步,摩擦、磨損的存在,使得許多關鍵技術(從航天器、高鐵、計算機存儲、到微機電系統等)遇到發展瓶頸;不少精妙的設計,僅能存在于人們的圖紙或科幻小說之中。那么,有沒有根本性的解決方案呢?

    兩個固體表面直接接觸并相對滑移運動,摩擦磨損主要源于表面本身的粗糙性、表面之間的夾雜物和化學鍵等。早在1983年佩拉爾(M. Peyrard)和奧布里(S. Aubry)就利用一個十分簡單、只含兩個彈簧系數的Frenkel-Kontorova 模型(簡稱FK模型),從理論上預測了兩個原子級光滑且非公度接觸的范德華固體表面(如石墨烯、二硫化鉬等二維材料表面)之間存在幾乎為零(簡稱“零”)摩擦、磨損的可能。近十年后平野(M. Hirano)等人通過FK模型的計算,再次提出了類似的預測,將其命名為超潤滑(Superlubricity),并作了多次實驗嘗試。此后,馬?。↗.M. Martin)等于1993年實驗觀察到了摩擦系數低達10-3量級的超低摩擦現象。由于長期沒有證實佩拉爾等預測的超潤滑概念,人們漸漸地將超低摩擦現象稱作為超潤滑,而將前者改稱為結構潤滑(Structural Lubricity)。人類歷史上第一次觀察到結構超滑(Structural Superlubricity)是在2004年,由荷蘭科學院院士弗倫肯(J. Frenken)領銜的團隊在納米尺度、超高真空、低速(微米/秒)的條件下觀察到石墨-石墨烯界面超滑。由于實驗條件過于苛刻,無法投入實用。并且,包括弗倫肯本人在內的許多科學家都不僅認為,而且從理論上“證明”納米以上尺度結構超滑難以實現。

    2008年,鄭泉水團隊在世界上首次實驗實現了微米尺度結構超滑。2012年,鄭泉水團隊證實了這是結構超滑,從而顛覆了人們的有關認識。弗倫肯(J. Frenken)等在《化學世界》(Chemistry World)(2012)上評價:“這是一個聰明的、經過仔細設計且極具勇氣的實驗。該現象發生在介觀尺度,立刻將這個現象的研究從學術興趣轉化到實際應用(“immediately brings it from academic to practical interest” )。此后,全球性的結構超滑和極低摩擦研究都進入了一個加速增長期,研究者們在不同的系統中都觀測到了結構潤滑現象(圖1)。清華大學除了以鄭泉水教授為代表的研究團隊在結構超滑領域處于國際領先地位之外,以雒建斌院士為代表的研究團隊在固-液界面極低摩擦研究領域同樣處于國際領先地位。

                        圖1.(a)微米尺度(1-10 μm)和(b)亞微米尺度(~ 200 nm)石墨島的結構超滑。(c) 厘米長雙壁碳管的結構超滑。(d)類金剛石球、金剛石顆粒以及片狀石墨烯形成的宏觀極低摩擦界面(引自Nature展望原文圖2)。


    2016年鄭泉水團隊在《科技導報》撰寫中文綜述“超潤滑:“零”摩擦的世界”,介紹結構超滑進展。在此基礎上,此篇在《自然》上的展望綜述更新了上述進展,并闡述了結構超滑未來的發展趨勢和主要面臨的挑戰。自2008年以來,經過十年契而不舍探索和研究,結構超滑很可能正處于產生顛覆性關鍵技術和源頭創新技術的前夜。這些技術的產生和應用將為人類更美好的未來做出歷史性貢獻。

    鑒于這種前瞻性認識,在清華大學和深圳市政府的支持下, 2018年9月深圳清華大學研究院設立了超滑技術研究所,由鄭泉水教授擔任所長。其發展戰略是充分整合鄭泉水教授在結構超滑基礎研究、清華大學在多個技術學科(高端制造、信息技術、空天技術等)、深圳市在實體產業、深圳清華研究院在技術孵化方面等的獨特優勢,致力于結構超滑顛覆性關鍵技術和源頭創新技術的研發。

    本文另外一位通訊作者為以色列特拉維夫大學化學學院奧德·霍德(Oded Hod)教授,三位國外合作者分別為以色列特拉維夫大學化學學院院長邁可·烏爾巴赫(Michael Urbakh)教授和奧德·霍德教授,以及瑞士巴塞爾大學物理系的厄恩斯特·邁耶(Ernst Meyer)教授。他們三位分別采用理論模型、分子動力學/第一原理計算、和實驗方法研究納米尺度結構超滑。

    原文引用:http://news.tsinghua.edu.cn/publish/thunews/10303/2018/20181126092458424277193/20181126092458424277193_.html?from=timeline&isappinstalled=0


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