清華新聞網(wǎng)3月2日電 摩擦與磨損長(zhǎng)期制約著精密機(jī)械與機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，而自超滑作為一種極端界面狀態(tài)，可在兩個(gè)固體表面無(wú)潤(rùn)滑劑直接接觸滑動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)零磨損、零靜摩擦以及近零摩擦系數(shù)。此前，自超滑的接觸尺度一直局限于納米和微米范圍，大大限制了其應(yīng)用想象空間，“尺度障礙”成為該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院鄭泉水院士和彭德利助理教授課題組在肉眼可見(jiàn)的宏觀(guān)尺度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健自超滑，破解了這一持續(xù)多年的科學(xué)難題，將自超滑真正帶入宏觀(guān)世界。
研究團(tuán)隊(duì)基于無(wú)褶皺單晶石墨材料，采用大尺度原子級(jí)光滑表面構(gòu)筑方法，成功制備出近乎無(wú)缺陷的亞毫米尺度潔凈非公度范德華界面。依托這一可直接觀(guān)測(cè)的宏觀(guān)滑動(dòng)體系，研究人員能夠采用宏觀(guān)加載與測(cè)量方式直接研究自超滑行為。
宏觀(guān)自超滑界面摩擦力的載荷依賴(lài)性。（a）摩擦力隨法向載荷（1?mN～0.5?N）的變化關(guān)系；（b, c）另外兩組尺寸樣品的摩擦力–法向載荷關(guān)系，均表現(xiàn)出負(fù)摩擦系數(shù)行為
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在1mN至0.5N的寬載荷范圍內(nèi)，界面摩擦與載荷基本無(wú)關(guān)，其微分摩擦系數(shù)與絕對(duì)摩擦系數(shù)均低至10-6量級(jí)。研究中還首次在宏觀(guān)摩擦體系中觀(guān)測(cè)到負(fù)摩擦系數(shù)現(xiàn)象，即載荷增加反而導(dǎo)致摩擦降低，表明界面摩擦已逼近其本征極限，摩擦系數(shù)實(shí)際趨近于零。
基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算，即使將一頭成年大象的重量施加于該界面，僅需相當(dāng)于一顆雞蛋重量的微小驅(qū)動(dòng)力即可使其發(fā)生滑動(dòng)。進(jìn)一步研究表明，在亞毫米尺度石墨與二硫化鉬異質(zhì)結(jié)界面中同樣能夠?qū)崿F(xiàn)上述理想狀態(tài)，說(shuō)明宏觀(guān)自超滑并非單一材料的特例，而在層狀范德華材料體系中具有普適性。
這一研究成果是力學(xué)、材料科學(xué)、制造與表界面物理等多學(xué)科深度交叉融合的結(jié)果。宏觀(guān)尺度穩(wěn)定自超滑的實(shí)現(xiàn)，有望成為下一代機(jī)械與機(jī)電系統(tǒng)的根技術(shù)，為先進(jìn)制造、高端裝備、精密儀器、航空航天、智能機(jī)器人及新能源汽車(chē)等領(lǐng)域中的摩擦磨損問(wèn)題提供顛覆性技術(shù)路徑。
研究成果以“穩(wěn)健的宏觀(guān)尺度結(jié)構(gòu)超滑的實(shí)現(xiàn)”（Observation of robust macroscale structural superlubricity）為題，于2月17日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院鄭泉水院士和彭德利助理教授為論文共同通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2024級(jí)博士生韓旻昊、彭德利為論文共同第一作者。論文其他作者還包括蘇州實(shí)驗(yàn)室教授丁峰、清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授徐志平、以色列特拉維夫大學(xué)教授邁克爾·烏爾巴克（Michael Urbakh）、意大利的里雅斯特國(guó)際高等研究院博士后王進(jìn)等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金及深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/bv6j-q22p
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
