超潤滑：“零”摩擦的世界
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撰文 | 鄭泉水（清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心教授）
01摩擦對人類的影響有多大？
在人們生活中，摩擦隨處可見。當行走在冰面或剛下過小雨的路面上，最好是邁小步，小心翼翼，以免滑倒（圖1（a）），這是因為通常的鞋底與這些濕滑的路面只能產(chǎn)生較低的摩擦力，如果真的沒有摩擦力或者摩擦力太小，人類便無法行走。當拖動一件笨重的家具時，需要花費九牛二虎之力以克服摩擦阻力移動家具，過程中也會因摩擦導(dǎo)致地板磨損（圖1（b））。在寒冷的冬天，兩個手掌相互間使勁搓幾下，很快就會感覺手掌熱起來了。進入中老年后，由于機體的自恢復(fù)功能減弱，膝關(guān)節(jié)的磨損將變得越來越嚴重，導(dǎo)致及腫痛，并難以恢復(fù)（圖1（c）），因此，人到中年，一定要保護好膝關(guān)節(jié)，如注意減緩爬山之類帶沖擊性行走。以上選取生活中隨手可拾的例子，目的是傳遞給讀者一個概念，就是摩擦無處不在，并影響著人類生活的方方面面。
圖1 隨處可見的摩擦。（a）北極熊在低摩擦的冰面上滑到§；（b）摩擦使得推動笨重的家具變得困難，并導(dǎo)致磨損，用放大鏡看，家具與地板的接觸面實際上是粗糙的（見（b）中小圖）§；（c）膝關(guān)節(jié)的磨損帶來疼痛§。
人們很早就懂得利用摩擦解決問題。傳說1萬多年前，燧人氏發(fā)明了鉆木取火（圖2（a），通過摩擦生熱取火），從而開啟了華夏文明。而一些因摩擦帶來的難題，也通過古人的經(jīng)驗得到了巧妙解決。
圖2 （a）中國海南省的一些少數(shù)民族仍然保留著鉆木取火的古老習(xí)俗§；（b）存在了4000多年的Djehoutyhotep墓壁展現(xiàn)古埃及文明對摩擦知識的應(yīng)用
例如，600年前在建筑北京故宮時，重達100多噸的石塊就是通過冰道從70 km之外的采礦場“滑”到故宮的[1]。古埃及人在沒有任何機械輔助的情況下，如何將幾十米之巨大的石雕像運送到沙漠中的金字塔附近的？對此，存在近4000年的Djehoutyhotep墓壁（圖2（b））提供了重要線索：古埃及人將塑像放在木制沙舟上，由一群人拉著在沙地里滑行，而舟頭所站之人，正不斷將舟前的沙子淋濕，以降低摩擦[2]。
人類對摩擦的研究可追溯到近代科技興起之前的文藝復(fù)興時期，以達芬奇（1452—1519）為杰出代表。由于摩擦來源和機理極其復(fù)雜，使得摩擦研究成為一項長期的艱難挑戰(zhàn)，至今依然十分活躍[3~15]。
摩擦及其引發(fā)的磨損，對當今世界范圍內(nèi)的能源、環(huán)境、技術(shù)和經(jīng)濟等層面有著巨大影響。例如，驅(qū)動汽車行駛的功率，約1/3~1/2用以克服各種摩擦[16]，包括發(fā)動機內(nèi)、傳動部件之間、車體與空氣、輪胎與路面間的摩擦。摩擦還會造成機器零部件的磨損，形成污染，并導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性和使用壽命降低，甚至引發(fā)災(zāi)難。據(jù)統(tǒng)計[17]，全球約1/3的一次性能源浪費在摩擦過程中，約80%的機械零部件失效由于摩擦磨損造成，導(dǎo)致工業(yè)化國家經(jīng)濟損失高達GDP的5%～7%（若按中國2015年GDP約75萬億人民幣元計算，摩擦造成的損失約合3.75萬億~5.25萬億人民幣元）。此外，現(xiàn)代制造業(yè)的一個重要趨勢就是精密化和小型化。如圖3（a）所示，也許在不久的將來，會制造出一個極小的機器人清道夫，自如地進入人體的血管中清除血栓，或是準確地輸運藥物直達病灶。不幸的是，機器越小，則其單位體積的表面積則越大（圖3（b）），摩擦磨損帶來的影響也就越大（圖3（c）[18]），這不僅消耗相對更多的能量，而且會導(dǎo)致這種微小型機器的壽命太短，無法得到實際應(yīng)用。
圖3 （a）血管中的微小機器人想象圖§；（b）隨著尺寸減小，單位體積表面積則越大§；（c）微米齒輪機構(gòu)極易發(fā)生磨損產(chǎn)生碎屑而失效[18]。
總而言之，摩擦無時無刻都在影響著人類的生活，從古至今，人類已經(jīng)習(xí)慣了利用或克服摩擦解決問題，并形成了“摩擦無處不在”的思維定勢。很難想象當人處在“零”摩擦的世界時，能否像《鏡中人》中林恩•羅克羅斯一樣充滿智慧地脫離困境？對于從事與摩擦相關(guān)的研究者和發(fā)明家來講，如能突破這個思維定勢，在“零”摩擦的世界里大膽地思考和嘗試以前的“不可能”，定能產(chǎn)生不少很有意義的創(chuàng)新。
02超潤滑：現(xiàn)象、特征和發(fā)展
2.1 納米摩擦學(xué)與超潤滑概念
如圖1（b）的插圖所示，肉眼看上去平整的固體表面在放大鏡下往往呈現(xiàn)出凹凸不平。通常的兩個固體表面之間的摩擦和磨損的來源，主要就是這些微觀上的粗糙性：壓得越緊，則真實接觸區(qū)和咬合程度就越大，從而導(dǎo)致摩擦越大、磨損越大。這個現(xiàn)象可由Amontons-Coulumb定律很好地描述，即摩擦力Ff與法向力FN（圖1（b））成正比：Ff=μFN。多數(shù)固體接觸的摩擦系數(shù)μ介于0.1~0.5之間；在接觸區(qū)添加了液體潤滑劑后，可將摩擦系數(shù)降低到0.05~0.1；冰刀與冰面之間的摩擦系數(shù)約0.01（圖4）。
圖4 摩擦現(xiàn)象的分類特征。
理想情況是，兩個絕對或數(shù)學(xué)意義上的光滑表面之間接觸摩擦為零，但真實物理世界中并沒有這樣的光滑表面。自然界最光滑的固體表面是晶面，其中，原子在晶面內(nèi)呈周期性排列，局部的高低起伏僅約0.1 nm（1 nm=10-9m）。
例如，石墨是最常用的固體潤滑材料，鉛筆芯便是利用了這個特性，書寫時滑出了許許多多微米大小的石墨小片（圖5（a）[19]），每片由許多單原子厚度層重疊構(gòu)成（圖5（b）），而每層則由碳原子按正六邊形角點排布的方式構(gòu)成一個稱作石墨烯的二維晶體（圖5（c）），其中，兩個相距0.142nm的鄰近碳原子之間由自然界一種特別強的化學(xué)鍵，即碳-碳鍵連接。石墨烯不僅具有已知最高的面內(nèi)抗拉伸剛度和強度，且面內(nèi)碳原子與面外的原子相互作用不是化學(xué)鍵，而是極弱的物理相互作用，即范德華（van der Waals）力。石墨的[0001]晶面就是一張石墨烯。于是，人們自然要問兩個晶面之間的接觸摩擦、磨損行為如何？納米與材料科學(xué)技術(shù)在最近20~30年來的蓬勃發(fā)展，使得這類問題，逐漸發(fā)展成為一個全新的研究領(lǐng)域，即納米摩擦學(xué)[20]。
圖5 （a）用掃描隧道顯微鏡可看到鉛筆筆跡的黑色主要由數(shù)不清的微米石墨薄片堆疊而成（藍色框框中的圖像）[19]；（b）石墨層狀結(jié)構(gòu)§；（c）石墨烯蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)§
1990年，日本科學(xué)家M.Hirano（平野元久）等[21, 22]根據(jù)納米摩擦學(xué)的Frenkel-Kontorova模型，從理論上預(yù)測兩個晶面非公度接觸時的靜摩擦力有可能為零（或幾乎為零），并把這一現(xiàn)象命名為超潤滑（superlubricity）。
這里簡要介紹一下公度性的概念：當兩個晶面的晶格常數(shù)和取向完全匹配時（圖6（a）、（b）），稱這兩個晶面是公度的；否則為非公度（圖6（c）、（d）），這時沿滑移方向的晶格常數(shù)的比值為無理數(shù)。例如，兩片石墨烯從公度接觸出發(fā)，相對旋轉(zhuǎn)0°~60°之間的任何一個角度，形成的接觸就是非公度的（圖6（d））。
為什么這樣接觸的摩擦為“零”呢？可用雞蛋售賣采用的蛋盒來形象地理解晶格公度性和表面摩擦之間的聯(lián)系，兩個蛋盒相當于兩個具有相同晶格常數(shù)的相互作用勢能表面（每一個裝雞蛋的坑代表一個晶格），當兩個蛋盒取向一致時，它們剛好卡住（公度），如圖6（a）所示，根據(jù)日常經(jīng)驗可知，此時要把兩個蛋盒沿側(cè)向拉開需要花費很大力氣（即界面公度時摩擦力巨大），同時將難免損壞蛋盒（對應(yīng)于磨損）。而當將上面的蛋盒旋轉(zhuǎn)一個角度之后，兩個蛋盒就無法卡住了（非公度），如圖6（c）所示，知道此時只需要很小的力就能拉動上面的蛋盒，即界面非公度時摩擦力幾乎為零，并且不容易損壞。圖6（e）~（f）給出的是兩個接觸晶面間原子相互作用示意圖，圖中周期性實線代表的是下部晶面原子對上部晶面原子（小球）的勢能面，小箭頭示意的是這些小球受到的力的方向，彈簧表示的是小球間的彈性相互作用。顯然，公度時小球受力的大小和方向完全一致，因此總的滑動阻力（Ff）與接觸面積成正比；而非公度時受力的大小和方向隨機，從而相互抵消，總的滑移阻力Ff為“零”且與接觸面積無關(guān)。
圖6 （a）§、（b）公度；（c）§、（d）非公度，（e）、（f）公度和非公度晶格的滑移勢壘及受力情況（（b）、（d）~（f）引自文獻[23]）
考慮到1986年發(fā)現(xiàn)了令人興奮的高溫超導(dǎo)（superconductivity）現(xiàn)象，Hirano等1990年命名超潤滑時是否有比照超導(dǎo)之意？這一點尚缺考證，但實際情況就是超潤滑引發(fā)了很多研究，同時產(chǎn)生了不少爭議。這里首先要澄清一點：物理上是無法實現(xiàn)嚴格意義上的接觸零摩擦的，因為這至少需要一個前提，就是晶面乃絕對的剛性（也就是說，圖6（f）中的彈簧剛度無限大），而真實上沒有絕對剛性的材料，即材料受力后總會發(fā)生變形。因此，當晶面相對滑移時，接觸面兩側(cè)原子之間有了變動的相互受力，導(dǎo)致晶面內(nèi)原子發(fā)生振動，從而產(chǎn)生聲子，由此導(dǎo)致能量耗散或摩擦。當然，如果晶面內(nèi)原子間具有極強的化學(xué)鍵（如碳-碳鍵），而晶面之間的原子間是很弱的范德華相互作用，則隨著滑移速度越來越小，摩擦的確應(yīng)該趨近于零。石墨、二氧化鉬等不少二維層狀晶體材料，就具有滿足上述要求的材料特性[24]。
2.2 超潤滑的實驗驗證：兩個突破
通過上面的討論，讀者或許已經(jīng)能夠歸納出兩石墨片[0001]晶面接觸超潤滑的一個基本特征，即公度或定向一致接觸時摩擦很大，而非公度（相對公度作一旋轉(zhuǎn)）時摩擦變得極小。然而，盡管長期以來，多個研究組進行了嘗試[25, 26]，卻未能實驗上觀察到這個基本特征，從而也就未能證實超潤滑的存在，只發(fā)現(xiàn)了摩擦隨定向變化的各向異性（即非公度時摩擦力有所減小，見圖7（a））。
2004年，荷蘭科學(xué)家J. Frenken的研究組首次實驗證實了超潤滑的存在[27]。
如圖7（b）所示，他們首先實驗觀察到了石墨片[0001]晶面的基本特征：通過測量粘在探針上的一個幾納米大小（共約100個碳原子）的石墨片在高定向熱解石墨（highly oriented pyrolytic graphite，HOPG）[0001]晶面滑動時的摩擦力，觀察到對石墨片相對于HOPG基底的大部分取向而言，摩擦力極低（< 15 pN），只有在對應(yīng)于公度接觸的特定幾個角度上（0°和60°等），才呈現(xiàn)高摩擦狀態(tài)（~250 pN），見圖7（b）。其次，他們用一個擴展的Prandtl-Tomlinson模型（圖7（c））從理論上解釋了觀察到的有關(guān)現(xiàn)象確實是超潤滑的明顯證據(jù)。
圖7 （a）云母表面摩擦力呈現(xiàn)60°對稱性下的各項異性[25]，（b）首次觀察到石墨之間的摩擦具有超潤滑所需的基本特征[27]（黑色點是實驗數(shù)據(jù)，曲線是廣義PT模型擬合的結(jié)），（c）廣義PT模型示意圖[[28]，其中的石墨片由24個碳原子組成
然而，納米尺度的接觸面與實際應(yīng)用需求的尺度相比，實在是太小了。且不說宏觀尺度接觸面，即使是最精密機械手表中最細小軸承的接觸面，尺度也達幾百微米。微米以上的尺度能否實現(xiàn)超潤滑？這是一個超潤滑能否走向真正應(yīng)用的關(guān)鍵。現(xiàn)實是殘酷的，2004年超潤滑實驗突破帶來的超潤滑研究的興奮，數(shù)年之后開始漸漸消沉，有關(guān)的理論與實驗的研究報道逐漸減少，因為直到2011年，可觀察到的超潤滑還局限在納米尺度、高真空環(huán)境和低速條件下（10μm/s）[29]。
面對上述困境出現(xiàn)了幾種不同的觀點。以2004年實現(xiàn)了超潤滑突破的J.Frenken為代表的一種觀點認為[27, 30]，超潤滑無法在更大的尺度實現(xiàn)，原因在于晶面內(nèi)的變形將導(dǎo)致局部公度的出現(xiàn)，從而使得超潤滑性能喪失。上述觀點有不少認同者，如有人通過理論上的定性研究來說明隨著尺度的加大超潤滑將喪失[31]。另一個佐證是，J. Frenken從2010年開始，領(lǐng)銜了一個（需要得到多人支持和參與的）歐共體的大研究項目[32]，目的是用許許多多的納米尺度的超潤滑接觸“腳”來等效地實現(xiàn)大尺度超潤滑。
為避開上述困境，科學(xué)家們另辟蹊徑，針對二硫化鉬[26]，類金剛石[6, 33]和石墨烯涂層[34]、水基液體潤滑[35~38]等材料體系，相續(xù)實驗觀察到了以摩擦系數(shù)為0.001量級或以下為特征的所謂超低摩擦（Ultralow Friction）現(xiàn)象。中國學(xué)者對這個方向的發(fā)展做出了重要貢獻，特別是清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室的雒建斌院士課題組發(fā)現(xiàn)了多個水基液體（莼菜粘液和磷酸溶劑等）超低摩擦體系[37, 39]、中科院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點實驗室的劉維民院士和張俊彥課題組發(fā)現(xiàn)了無定型、富勒烯碳膜固體超低摩擦體系[40, 41]，見圖8。于是，有學(xué)者建議將超低摩擦定義為超潤滑[17, 42]，而把Hirano等最初提出的概念稱為結(jié)構(gòu)潤滑（Structural Lubricity）。這樣一個重新定義曾隨著專輯《Superlubricity》在2007年的發(fā)表[17]而漸漸流行開來了。但為尊重原創(chuàng)且避免混淆，本文仍然采用超潤滑的最初概念，以區(qū)別超低摩擦現(xiàn)象。在后面的第2.3節(jié)，我們將更詳細地回答超潤滑與超低摩擦之間有什么不同。
圖8 超低摩擦現(xiàn)象（摩擦系數(shù)為0.001量級或更低）（a）測量莼菜黏液摩擦系數(shù)的實驗裝置示意圖[37]，圖中黃色區(qū)域為鎖死區(qū)域；（b）測量結(jié)果：橫軸為加載時間，左邊縱軸表示系統(tǒng)正壓力（圖中黑色實線），右邊縱軸為系統(tǒng)摩擦系數(shù)（圖中黑色方塊），從圖（b）可看出隨著時間增加，壓力增大，系統(tǒng)摩擦系數(shù)反而減小，最終降到0.5%；（c）氟摻雜氫化碳膜的透射電子顯微鏡圖像[37]；（d）兩種不同碳膜摩擦系數(shù)隨時間的變化，顯然氟摻雜氫化碳膜具有更好的摩擦性能。
清華大學(xué)鄭泉水研究團隊持另外一種觀點，即相信大尺度超潤滑不僅可以實現(xiàn)，而且可能尺度不限。他們首先總結(jié)出了前人超潤滑實驗失敗的一個共同點：將兩個本來分開的晶面通過擺放在一起的方式來實現(xiàn)接觸。由于暴露于空氣（哪怕是在超凈室）中的晶面上難免有原子、分子、納米顆粒等吸附物，因此這樣形成的接觸不可能絕對干凈（圖9（a））。再根據(jù)美國學(xué)者M.Robbins和M. Mueser等所作出的非絕對干凈的接觸其靜摩擦力不為零[43, 44]的理論預(yù)測，鄭泉水團隊相信以往大尺度超潤滑實驗失敗的一個共同原因是非絕對干凈的接觸。如何才能實現(xiàn)大面積“絕對”干凈接觸呢，這是一個十分困難的問題。另外一個難題是，即使接觸區(qū)內(nèi)發(fā)生了“零”摩擦，由于接觸區(qū)邊緣吸附或變形等多種因素（圖9（b））可導(dǎo)致摩擦，故單靠檢測摩擦力，很難區(qū)隔這些摩擦究竟發(fā)生接觸區(qū)內(nèi)，還是源于邊緣。
圖9 （a）夾層分子[45]以及（b）影響超潤滑的因素[23]的示意圖。
2012年，劉澤和鄭泉水等[46]在國際上率先觀察到了微米尺度超潤滑現(xiàn)象（圖10（a）~（j））。他們利用HOPG，通過一個設(shè)計巧妙的實驗（即后面將談到的石墨島“自縮回運動”現(xiàn)象[19]），發(fā)現(xiàn)摩擦力明顯具有超潤滑的基本特征，即非公度定向（圖10（j）中陰影對應(yīng)的角度）時摩擦極小，而每旋轉(zhuǎn)約60°度時（圖10（a）~（j）中藍色箭頭方向）摩擦力很大，并得到非公度時的剪切強度上限僅為0.04 MPa，而公度時的剪切強度比非公度的剪切強度大了4個量級，約為140MPa[47]。由此可斷定這是一個超潤滑現(xiàn)象。該超潤滑發(fā)生在大氣環(huán)境下，且最大接觸面尺度達10 μm×10 μm[46]，比前人報道的結(jié)果大了7個量級。超潤滑的奠基者M. Hirano和著名納米摩擦學(xué)家M. Urbakh等[48]認為這項工作“是超潤滑現(xiàn)象超越納米尺度所邁出的一大步”；“可推動超潤滑領(lǐng)域和更廣泛意義上的摩擦研究領(lǐng)域的突破性進展”；“開辟了制備石墨潤滑劑來提高潤滑性能的新方向。”
圖10 超越納米尺度超潤滑實驗現(xiàn)象（a）~（i）表示石墨片不同的轉(zhuǎn)動方向，圖中藍色箭頭指示的方向代表“鎖死”方向，箭頭始終處于石墨片的同一邊，圖中虛線所示的正方形代表石墨平臺；（j）（a）~（i）所示的鎖死方向，很明顯地顯示了60°對稱性，在該圖中，0°的刻度標記和（a）圖中箭頭方向相同，所以這個60°對稱性可以和實驗圖片的轉(zhuǎn)動方向直接比較。通過實驗估計得出非公度狀態(tài)下石墨的層間剪切強度的上限為0.04 MPa，公度時為140 MPa[47]。
緊接著，楊佳瑞和鄭泉水等[49]發(fā)明了一套激光刀口檢測設(shè)備（圖11（a）），采用該設(shè)備和高定向石墨，實驗發(fā)現(xiàn)了高速（可達25 m/s）超潤滑現(xiàn)象（圖11（b））。
圖11 （a）激光刀口法的實驗裝置以及激光刀口法的示意圖，插圖為放大的光鏡下石墨島的自回復(fù)圖片[49]，（b）最大自回復(fù)速度和溫度的關(guān)系[49]。
2.3 超滑潤滑的獨特屬性
在之后的幾年間，國內(nèi)外從事超潤滑研究的課題組具備了更多的實驗方法和理論知識，來理解超潤滑的本質(zhì)及其與超低摩擦的不同。以下是鄭泉水課題組通過多年研究總結(jié)的對超潤滑獨特屬性的最新認識。
特征1：發(fā)生在兩片非公度且絕對干凈接觸的諸如石墨烯之類的只有物理相互作用的晶面之間的摩擦，可隨滑移速度降低而趨向于零。將這個現(xiàn)象稱作為“零”摩擦。
特征2：“零”摩擦與接觸面積無關(guān)，即可以實現(xiàn)不受尺度限制的“零”摩擦；且“零”摩擦可以在一定的正壓力范圍得到保持。
特征3：“零”摩擦帶來兩個獨一無二、特別重要的特性，首先是零磨損，其次是啟動停止摩擦為“零”。
特征4：對于有限尺度的超潤滑，摩擦主要發(fā)生在接觸區(qū)邊緣，來源于滑移過程中對表面吸附物（如水、碳氫化合物、微納米顆粒）的清除、邊緣原子的懸鍵及其拖帶分子團的振動耗散等。
超潤滑的上述特征不僅有別于通常的摩擦行為，也有別于超低摩擦行為。與超潤滑相對照，超低摩擦雖然摩擦系數(shù)極小（0.001量級及以下），但還是有一定的值，物理本質(zhì)上不能趨向于零；超低摩擦也不具備特征2和3。因此，按照上述特征，本文在圖4中對摩擦類型作了一個分類。當然，要完全證實或證偽超潤滑的上述基本特征還需假以時日。在下面的第2.4節(jié)中，我們將歸納得于判斷超潤滑具有上述特殊屬性的相關(guān)實驗觀察和理論結(jié)果。
2.4 超潤滑特征的實驗和理論基礎(chǔ)
關(guān)于特征1，因涉及面較廣，故需較多的篇幅來介紹。鄭泉水的課題組[44,46]是如何首次實現(xiàn)了微米尺度超潤滑的呢？這背后有一個奇妙的現(xiàn)象。想象一下，把一塊磚頭交錯疊放在另外一塊同樣大小的磚頭上，上面的這塊磚頭會不會自發(fā)地（完全沒有外力作用）通過滑移最后完全重合地疊在下面的磚頭上呢。經(jīng)驗告訴我們這是不會發(fā)生的，因為有摩擦，即使斜放，當斜放的角度不大時上述重合情形也不會發(fā)生。然而，鄭泉水和江博等[19]對于兩個“磚頭”是幾微米大小的單晶石墨片、以非公度形式在[0001]晶面接觸的系統(tǒng)，卻實驗觀察到了自縮回運動（self-retracting motion，SRM），直到上下石墨片完全疊合（圖12（e）、（f））。這是對晶體材料觀察到SRM現(xiàn)象的首例，雖然曾經(jīng)在多壁碳納米管發(fā)現(xiàn)過類似的SRM現(xiàn)象[50, 51]。
圖12 （a），（b）石墨自回縮示意圖，其所示系統(tǒng)亦稱為石墨島；（c）、（d） SEM下觀察到的石墨島的自回縮現(xiàn)象；（e）、（f）光鏡下觀察到的自回縮現(xiàn)象[46]
現(xiàn)在解釋SRM現(xiàn)象為什么會發(fā)生。如圖12（a）所示，與完全疊合的情形相比，滑移了距離x的上下兩片石墨系統(tǒng)的總的（可隨x變化的）界面能為U=2γ0001Bx+σB(L-x)，其中，γ0001為[0001]晶面與空氣的界面能、σ為非公度接觸區(qū)的界面能、L和B分別為石墨塊沿滑移方向的長度和垂直滑移方向的寬度。于是，滑開的石墨片將受到如下驅(qū)動自縮回運動的力Fre=dU/dx=ГB，其中，Г=2γ0001-σ恰好是石墨烯的解理能。順帶說一下，Г的值直到2015年，利用了SRM現(xiàn)象及超潤滑，才由瑞士的E.Koren課題組[4]和鄭泉水課題組[7]獨立地實現(xiàn)了直接實驗測定。對于文獻[19]實驗用到的典型尺度B=3μm，因為發(fā)生了SRM現(xiàn)象，抵抗自縮回運動的摩擦力必然小于Fre≈1 μN。實際測得的摩擦力遠小于1 μN[7]。
必須指出的是，圖12中錯位接觸的石墨片并非是由分開的兩片石墨疊在一起的，而是由一個更厚的HOPG通過剪切滑移所形成。電子背散射衍射（Electron BackScattered Diffraction，EBSD）的測量結(jié)果[46]和SRM現(xiàn)象表明，實驗所用的HOPG實際上是由許許多多厚度約為幾到幾十納米、大小為幾到幾十微米的單晶石墨片所構(gòu)成的多晶體，就像是紙片般極薄的“片石”所堆壘的“石墻”[46]；兩個相鄰的片狀石墨單晶的接觸是非公度的。因此，對于幾微米大小的HOPG而言，將有一定概率，存在完全跨越整個石墨塊的非公度接觸面，對這個面做剪切并釋放后，就出現(xiàn)了前述的SRM（自縮回運動）現(xiàn)象[19]。
利用SRM現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)超潤滑現(xiàn)象的巧妙之處就在于，滑開的過程中，接觸面是HOPG塊體材料中的天然[0001]晶界面，因此是“絕對”干凈的。進一步，雖然滑開后所暴露在空氣中的[0001]晶面上難免有吸附物，但在自縮回運動的過程中，這些吸附物統(tǒng)統(tǒng)被晶面的邊緣所刮掃，進入不到被回復(fù)的晶界之間。劉澤和鄭泉水等[52]發(fā)現(xiàn)的這個刮掃效應(yīng)，被稱為納米擦子效應(yīng)。課題組待發(fā)表的最新實驗結(jié)果表明，即使反復(fù)進行了百萬量級次數(shù)的滑開-自縮回運動的接觸面，還始終是“絕對”干凈，從而實現(xiàn)了微米尺度、大氣環(huán)境下的超潤滑。
關(guān)于特征2，背后也有一個有趣且?guī)l(fā)性的故事。清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉研究中心（簡稱CNMM）的魏飛教授（化工系）和張瑩瑩副教授（化學(xué)系）生長了宏觀長度（幾十厘米，目前還是世界上最長）的幾乎無缺陷的連續(xù)雙壁碳納米管[53]。他們還發(fā)明了一個用光學(xué)顯微鏡就可以直接 “看到”碳納米管的方法[54]，就是沿著碳納米管熏上一連串的微米顆粒（圖13（a），（d））。由此觀察到了一個奇怪現(xiàn)象：將一根數(shù)厘米長的雙壁碳納米管固定兩端并懸空中段后，用風去吹它，發(fā)現(xiàn)吹出了一段碳（圖13（b），（e）），且中間出現(xiàn)一段空白。把風撤去后，碳納米管又回復(fù)的直線形式，中間的空白消失了（圖13（c），（f））。
圖13 光學(xué)顯微鏡下看到碳管圖像。（a）~（c）示意圖，（d）~（f）實驗圖片，分別表示用氣流吹碳管前后碳管形狀的變化
在CNMM的一次內(nèi)部報告會上，他們介紹了上述奇怪的現(xiàn)象。考慮到雙壁碳納米管管壁之間是天然絕對干凈的，且絕大多數(shù)是非公度接觸，鄭泉水提出這很可能是一個超潤滑效應(yīng)，引起了魏飛、張瑩瑩及其學(xué)生張如范的興趣，隨后開展了相關(guān)研究。這樣一個交叉合作導(dǎo)致了厘米長度超潤滑現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)[9]。這個發(fā)現(xiàn)將超潤滑的尺度從10m擴大到了厘米，進一步支持了特征2。
關(guān)于特征3，C.C. Vu和鄭泉水等[55]首次獲得了超潤滑界面的摩擦力與系統(tǒng)外加正壓力無關(guān)的實驗證據(jù)。利用原子力顯微鏡（AFM）所組裝的實驗平臺和HOPG的SRM現(xiàn)象（圖14（a）），測得摩擦系數(shù)隨機地分布在-4.55×10-5~9.69×10-5之間，實際上就是與正壓力無關(guān)。實驗中加載到了所用AFM的特殊探針最大許可壓力（16μN，對應(yīng)壓強1.7MPa），今后需要構(gòu)建新的實驗方法和搭造新的設(shè)備，以最終發(fā)現(xiàn)超潤滑失效的臨界壓力。關(guān)于無磨損，鄭泉水課題組一項待發(fā)表的實驗結(jié)果表明，對石墨超潤滑界面進行近千萬次數(shù)的來回滑移，沒有觀察到磨損。
圖14 實驗結(jié)果表明，超潤滑狀態(tài)下石墨島滑移摩擦力在一定正壓力N范圍內(nèi)與N無關(guān)[55]。（a）實驗設(shè)置示意圖，（b）五個樣品測得的Ffr-N關(guān)系。
關(guān)于特征4的研究極其豐富，且有越來越多的肯定性實驗結(jié)果。第一類支持跡象是，在250°C范圍內(nèi)升溫，可以將超潤滑下的摩擦顯著地降低。圖11（b）給出了楊佳瑞和鄭泉水等[49]測得的最大SRM速度Vm與溫度的關(guān)系：室溫時，Vm在亞毫米/秒量級，意味著這時的邊緣摩擦接近自縮回力F=ΓB；溫度在200~230°C時，最大SRM速度（約25m/s）接近無摩擦?xí)r的理論值。可見，引起邊緣摩擦的主要因素很有可能是吸附在邊緣的水分子、碳氫化合物，因為在升溫過程中，這些吸附物會從邊緣脫吸附，所以摩擦力會降低。如圖15所示，王穩(wěn)和鄭泉水等[7]所實驗發(fā)現(xiàn)的類似的溫度對摩擦影響，揭示了滑移過程中由摩擦引起的能量耗散，隨溫度的升高迅速降低至零的趨勢。
圖15 摩擦力-位移曲線[[7]。紅線為往前滑動，藍色虛線為往回滑動，滑開-回復(fù)的力-位移閉環(huán)的面積表征著此過程中的能量耗散（見圖（b）），將其除以滑動距離w就得到滑開-回復(fù)過程中的平均摩擦力。實驗結(jié)果表明，隨著溫度的升高，平均摩擦力大幅降低。同時邊緣啟動力（圖中尖峰）也隨之降低
第2類跡象是超潤滑下的尺度效應(yīng)。Dietzel和A.Schirmeisen等[56]在超高真空環(huán)境下研究了納米尺度銻金屬顆粒與高定向熱解石墨（HOPG）[0001]表面的摩擦力與接觸面積的依賴關(guān)系。實驗結(jié)果表明當銻金屬顆粒和HOPG之間沒有夾層分子及夾層顆粒且它們之間的接觸面積小于90000 nm2時摩擦力不依賴于接觸面積；反之，當有夾層粒子時摩擦力和接觸面積成正比（見圖16）。此后該課題組進一步實驗發(fā)現(xiàn)[57]，當顆粒為無定型時摩擦力線性依賴于接觸面積的平方根，即只與接觸的邊長有關(guān)，當顆粒為金晶體時，摩擦力與面積的依賴較復(fù)雜，跟晶體的形狀及取向相關(guān)。由于接觸區(qū)的邊界長度正比于接觸區(qū)面積，故上述結(jié)果間接證明了超潤滑下摩擦的主要來源于接觸區(qū)邊界。
圖16 金屬顆粒在HOPG表面摩擦力的尺度依賴關(guān)系（引自文獻[58]）。
特別需要指出的是，以AFM和納米尺度的針尖接觸為背景的納米摩擦學(xué)實驗與理論研究，為理解超潤滑接觸區(qū)邊緣的摩擦來源，提供了豐富的信息，并大大增進了有關(guān)理解，這是因為納米接觸區(qū)邊緣所占比重特別大，因此可以顯著地放大邊緣摩擦的效應(yīng)。實驗方面，李群仰和R. Carpick等[12, 59, 60]研究了AFM針尖和石墨烯界面納米接觸的摩擦行為，發(fā)現(xiàn)石墨烯的面外變形會產(chǎn)生顯著的摩擦，凸顯邊緣處的摩擦來源有局部變形的貢獻。E. Meyer和M. Urbakh[61]關(guān)于單分子摩擦的研究表明，表面邊緣分子化學(xué)基團構(gòu)成了超潤滑時摩擦的另外一個重要來源。E. Tosatti等[8, 62]通過研究稀有氣體原子在金屬表面的摩擦行為發(fā)現(xiàn)邊緣釘扎效應(yīng)是破壞界面超潤滑的一個不可忽視的因素。
理論方面，W. K. Kim等[63]的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超潤滑狀態(tài)是否能夠保持取決于相對滑移表面的面內(nèi)相互作用強度和界面剪切強度的相對比值，當面內(nèi)較軟，界面間相互作用強度較強時，超潤滑狀態(tài)會消失。A. Fasolino等[64]的分子動力學(xué)模擬表明對于非公度接觸的納米尺度的石墨烯片，摩擦力為零的狀態(tài)只適合于一定范圍內(nèi)的正壓力，當正壓力超過約0.6nN/atom（對應(yīng)于壓強24 GPa）時，邊緣開始起皺，粘-滑（stick-slip）現(xiàn)象出現(xiàn)，摩擦力產(chǎn)生。M.Urbakh等[65]和A. Fasolino等[66]通過理論研究表明在高速和高溫狀態(tài)下，納米尺度的超潤滑狀態(tài)會被壓制。而馬明和M.Urbakh等[67]得到了準一維材料超潤滑臨界尺度的解析公式，其理論預(yù)測與實驗吻合良好[9]。最近，歐陽穩(wěn)根、馬明、鄭泉水和M.Urbakh[68]提出了利用層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓制面外變形從而獲得超低摩擦的方法，為實現(xiàn)大尺度超潤滑提供了新的思路。
03超潤滑的應(yīng)用前景
近幾年來超潤滑領(lǐng)域所取得的突破性進展和對超潤滑認識的迅速深入，為超潤滑從實驗室研究走向技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用打開了大門，為感興趣的年輕學(xué)子、發(fā)明家和創(chuàng)新技術(shù)投資者提供了一次重要機遇。為了加速對超潤滑機理的認識、增強中國在超潤滑研究設(shè)備方面的開發(fā)，科技部于2013年設(shè)立了由鄭泉水教授領(lǐng)銜的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”計劃項目）：“納米界面超潤滑檢測技術(shù)與機理研究”。2015年，在北京召開了由雒建斌、鄭泉水和M. Urbakh擔任主席，全球20余位超潤滑/超低摩擦領(lǐng)域的頂尖專家參加的首屆超潤滑國際研討會議。下面簡要介紹超潤滑在硬盤技術(shù)、太空探測、精密制造等領(lǐng)域得的幾個潛在重要應(yīng)用，拋磚引玉，以期引發(fā)更多的技術(shù)創(chuàng)新設(shè)想和合作可能。
3.1 超潤滑硬盤技術(shù)：從飛行到滑行
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，近年來人類社會進入了大數(shù)據(jù)和云存儲的時代。如今，人們將數(shù)據(jù)不僅僅保存在個人具有局限性的存儲設(shè)備上，也越來越多地將數(shù)據(jù)上傳于“云”端——一個看似“無限大”的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中，從而促使全球數(shù)據(jù)存儲量呈現(xiàn)爆炸式增長。相對于以小、快為特色的固態(tài)硬盤（SSD），傳統(tǒng)的機械硬盤（HDD，圖17（a））具有存儲量大、數(shù)據(jù)存儲安全可靠、和性價比高的優(yōu)勢，在云存儲的存儲方式中占據(jù)絕對的支配地位。且云存儲的出現(xiàn)，對HDD產(chǎn)生了巨大的、甚至是“無限”增長的需求。然而，HDD卻長期陷入了如何進一步提高存儲量和讀寫速度的技術(shù)瓶頸。
圖17 （a）機械硬盤HDD實物圖§，（b）機械硬盤讀寫結(jié)構(gòu)示意圖§
該技術(shù)瓶頸來自于HDD現(xiàn)有的讀寫磁頭模式。磁頭讀寫數(shù)據(jù)的原理，是通過磁頭與存儲數(shù)據(jù)的磁介質(zhì)（即磁盤）之間的磁感應(yīng)。欲提高存儲量，一方面要提高磁介質(zhì)的磁疇密度，另一方面需要減少磁頭與磁盤的間隙距離（H）。
為了讀寫數(shù)據(jù)，磁頭需要移動到不同的磁盤區(qū)域；為了避免磁頭與磁盤之間發(fā)生摩擦和磨損，磁頭在工作時懸浮在高速旋轉(zhuǎn)的盤片上，懸浮的力量來自于盤片旋轉(zhuǎn)帶動的氣流。現(xiàn)有磁頭與磁盤的間隙距離H由3部分組成（圖17（b））：保護磁盤不受腐蝕和磨損的類金剛石（DLC）薄膜厚度HDLC、該薄膜上的潤滑劑薄膜厚度Hlub和保護磁頭的DLC薄膜與潤滑劑薄膜之間的空氣層厚度Hair。
現(xiàn)在的主流大品牌硬盤飛行高度Hfly=Hair+Hlub已經(jīng)低達2～6 nm，為了實現(xiàn)這一高度，采用了極其精密的機械和控制系統(tǒng)。如何進一步減低Hfly已經(jīng)變得十分困難和昂貴了。此外，為了避免啟停靜摩擦，讀寫頭需不停地移進和移出磁盤表面，導(dǎo)致采用更加復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，限制了讀寫速度和進一步小型化。
因此，降低H早已成為了提升HDD整體容量的最重要參數(shù)[69]。研究表明，HDD磁頭磁盤間隙H每減小0.3～0.5 nm，存儲數(shù)據(jù)信號的錯誤率將會降低1倍[70]；若HDD要實現(xiàn)從現(xiàn)在的1 Tbit/in2提升到10 Tbit/in2，磁頭與磁盤的距離H要降低至2 nm[71]。由于DLC極難做到2nm以下，這意味著磁頭與磁盤之間的距離需要十分接近，達到直接相互接觸的距離，因此只有接觸式讀寫（即Hfly=0）才能實現(xiàn)這樣的目標。顯然，磁頭磁盤間的摩擦與磨損將會成為制約接觸式讀寫技術(shù)實現(xiàn)的核心挑戰(zhàn)。
在2010和2014年鄭泉水團隊申請的兩項國家發(fā)明專利[72, 73]中，提出了兩類超潤滑機械硬盤技術(shù)。
第1類，將磁頭的DLC薄膜改為石墨烯，取消潤滑層和空氣層，通過石墨烯與磁盤上的DLC層直接接觸的超潤滑，來實現(xiàn)Hfly=0或H≈2 nm的磁頭與磁盤之間的運動和數(shù)據(jù)讀寫。
第2類，進一步將磁介質(zhì)上面的DLC層用石墨烯或其他二維晶體材料所替代，可將H進一步降低到1nm以下。若超潤滑接觸式硬盤技術(shù)得以實現(xiàn)，則可在極少變動現(xiàn)有HDD技術(shù)的前提下，將現(xiàn)有儲密度提高10～15倍。目前，鄭泉水團隊在唐仲英基金會（中國）和北京市科委的資助下，通過與以色列特拉維夫大學(xué)M. Urbakh教授、日本關(guān)西大學(xué)Norio Tagawa教授的研究組、以色列發(fā)明家Gleb Zilberstein先生等合作，正在進行有關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究，同時受到世界上最大的硬盤技術(shù)公司W(wǎng)estern Digital的密切關(guān)注。
3.2 超潤滑助推太空技術(shù)
航天器如衛(wèi)星、空間站所工作的太空環(huán)境有三大特色：微重力、超低溫和近真空。微重力導(dǎo)致摩擦成為空間機械部件運動需要克服的主要阻力來源之一；零下一兩百度的超低溫不但大幅增加了金屬間的摩擦系數(shù)[74]，而且使液體潤滑難以使用。以上幾個因素共同導(dǎo)致太空中摩擦問題極其顯著，因此航天器渴望新的減摩技術(shù)。超潤滑提供了一種可能的技術(shù)途徑，特別是太空的近真空環(huán)境正好契合實現(xiàn)超潤滑所需“絕對”干凈接觸的理想場所。下面以星載大型可展天線為例，說明超潤滑可能帶來的變革。
因為天線收發(fā)和分辨電磁信號的能力在理論上與其口徑的平方成正比[75]，故此大型星載天線在高分辨率對地觀測、災(zāi)難定向救援、深空探測、空間信息安全等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用，近年來在國內(nèi)外受到高度重視[76, 77]。這類天線是目前世界上單位質(zhì)量最昂貴的產(chǎn)品之一，只有幾百公斤重，造價卻與最先進的重14噸的F35戰(zhàn)斗機同量級。其尺寸巨大，當前最大口徑約15 m，下一代的目標約在30 m；天線在發(fā)射階段須折疊后方能儲存于火箭整流罩內(nèi)，入軌后由可展機構(gòu)展至工作狀態(tài)[76]。
目前最前沿的一類大型星載天線是環(huán)形網(wǎng)狀可展天線[78]（圖18（a）），最早由美國Astromesh公司研發(fā)，收攏口徑不到2 m，展開可達12 m。其展開機制是電機收繩（圖18（b）、（c）），繩索過滑輪后將展開所需力傳遞到各活動關(guān)節(jié)處。摩擦導(dǎo)致滑輪兩側(cè)繩索張力存在比例衰減現(xiàn)象[79]，多次過滑輪后張力冪次衰減以致遠端有效驅(qū)動力大幅衰減，難以實現(xiàn)很大尺度的展開。此外，受到重量和升空時體積的限制，也不能通過在機構(gòu)各關(guān)節(jié)處安置大量馬達來克服超大尺度（如百米）展開遇到的摩擦阻力問題，而超潤滑材料與技術(shù)的應(yīng)用則可突破這個瓶頸：如果能夠在每個滾輪軸上都實現(xiàn)超潤滑，則原則上可以通過繩索和電機展開超大口徑的天線，巨幅提高天線分辨率。
圖18 大型環(huán)形網(wǎng)狀可展開天線[78]。（a）天線總體示意圖，（b）天線展開示意圖，（c）單跨展開原理圖
航天工程中，類似的需要超潤滑材料與技術(shù)的重要問題還有很多。例如，飛輪儲能式不間斷電源、飛輪式控制力矩陀螺、太陽帆板驅(qū)動機構(gòu)和空間相機等各種空間活動機構(gòu)，它們是航天器儲供能、姿態(tài)控制、有效載荷等分系統(tǒng)的核心部件，其壽命將直接影響航天器的整體壽命。鑒于上述情況，國家高度重視超潤滑/超低摩擦在航天技術(shù)中的應(yīng)用。前不久，中國航天科技集團公司五院502所張激揚牽頭申報的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”計劃）項目成功立項，該項目以解決空間活動部件的長壽命問題為目標，重點開展超潤滑/超低摩擦技術(shù)空間應(yīng)用的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方法研究。
清華大學(xué)超潤滑研究團隊有著高度的意愿參與航天技術(shù)中超潤滑的應(yīng)用研究，希望通過多方合作，為世界深空科學(xué)和中國航天技術(shù)的發(fā)展作出獨到的貢獻。
3.3 精密制造和微小器件：超潤滑時代
中國是制造大國，但還不能稱為制造強國。舉例說明中國作為制造大國與制造強國的一個主要差距。據(jù)中國海關(guān)信息，中國2015年6月出口金屬加工機床83萬臺，總價2.5億美元，同期進口近1萬臺，總價7.8億美元。進口與出口單臺機床的平均價之比，相差高達驚人的200多倍。而機床的精度直接決定了加工產(chǎn)品的精度。因此，如果不能自主地生產(chǎn)出世界上頂尖高精度機床，便無法稱得上真正意義上的制造強國。
為什么大量出口的機床賣不出好價格，還需要花錢高價進口？關(guān)鍵就是加工精度，其中一個核心要素是導(dǎo)軌的定位精度。
圖19是一個典型的導(dǎo)軌照片及其工作示意圖。由于導(dǎo)軌上用來定位的滑塊啟動時需克服的靜摩擦力大于滑動摩擦力，而機械系統(tǒng)的剛度不能無限大，因此滑塊就會產(chǎn)生周期性的跳躍與停頓間隔的爬行現(xiàn)象，如圖19所示。爬行現(xiàn)象使得機床的伺服系統(tǒng)無法準確地控制裝載工件或刀具的滑塊運動到指定的位置[80]，由此就會造成工件的尺寸和形狀誤差。進一步，導(dǎo)軌運行一段時間后，摩擦帶來的磨損導(dǎo)致導(dǎo)軌的表面惡化及配合精度下降，從而帶來更嚴重的加工誤差。
圖19 導(dǎo)軌與機床加工精度。（a）一個典型的導(dǎo)軌照片§，（b）機床導(dǎo)軌定位誤差帶來加工工件的尺寸誤差，（c）摩擦帶來的導(dǎo)軌爬行運動的簡化模型[80]，（d）導(dǎo)軌爬行時驅(qū)動件位移和工作臺實際位移的相對誤差[80]
另外一個例子說明超潤滑對微小器件可能有更加關(guān)鍵的影響。如上所述，由于摩擦的影響，限制了機械滑移式導(dǎo)軌的定位精度，使其一般在微米以上。通常要實現(xiàn)微米以下的高精度定位，需要使用壓電陶瓷之類的材料。壓電陶瓷是一種能夠?qū)C械能和電能互相連續(xù)地轉(zhuǎn)換的可變形材料。以在納米科學(xué)與技術(shù)研究中的關(guān)鍵設(shè)備之一——原子力顯微鏡為例，控制施加在壓電陶瓷兩端的電壓就可以使壓電陶瓷產(chǎn)生應(yīng)變，從而實現(xiàn)精度高達亞納米（0.1 nm）級別的位移分辨率。對于定位裝置而言，位移范圍（或行程）和位移分辨率（或精度）同樣重要。壓電陶瓷雖然分辨率很高，但其位移范圍卻很小。由于壓電陶瓷的極限應(yīng)變僅為10-3量級，因此要實現(xiàn)毫米級的位移范圍，就需用米級大小的壓電陶瓷。可見，壓電陶瓷具有一個明顯短板，就是在小型化的條件下無法直接實現(xiàn)相對較大的位移范圍。采用懸臂梁之類的變形式結(jié)構(gòu)具有類似的問題，一般難以達到與構(gòu)件尺度相近的位移。而對于一些微型傳感器與執(zhí)行器而言，需要在自身微型化的同時達到大的位移范圍，例如大量程的微型位移傳感器、用于納米材料力學(xué)性能測試的微型拉伸器等。
目前還沒有其他方法來突破自身微型化的同時達到大的位移范圍的技術(shù)瓶頸，而超潤滑為實現(xiàn)運動器件在自身微型化同時保持大范圍位移的功能提供了可能性。原因是，滑移模式所形成的位移可達到與樣品尺度同樣的量級，例如本身尺寸為5 μm的石墨微結(jié)構(gòu)[19]可以在超潤滑的狀態(tài)下滑移超過3 μm的范圍；其次是，超潤滑的啟動停止“零”摩擦特性。
下面以一個林立和鄭泉水等[81]2016年申請的一項高精度位移傳感器專利技術(shù)為例，來更具體地解釋有關(guān)概念。傳統(tǒng)的電容位移傳感器一般采用空氣間隙，此時空氣濕度的波動和極板間隙的抖動都會給測量帶來顯著誤差。如果采用一般的固體介質(zhì)，啟停摩擦和長時間工作的磨損又會帶來嚴重的測量誤差。該專利建議了一種新型電容式位移傳感器（圖20的結(jié)構(gòu)示意圖），采用超潤滑的固體介質(zhì)很好地解決了摩擦磨損問題從而能顯著提高測量精度。進一步地，將這種微型傳感器以陣列的方式排布形成容柵式結(jié)構(gòu)[82]，就能夠在保證超高測量精度（達納米級別）的同時，使測量范圍達到宏觀尺度。
圖20 超滑接觸式電容位移傳感器（a）傳統(tǒng)的以空氣為介質(zhì)的變面積式電容位移傳感器，電容測量值易受空氣濕度波動和電極板間隙抖動的影響；（b）新型的采用超滑固體介質(zhì)的電容位移傳感器；（c）電容位移傳感器形成陣列式容柵結(jié)構(gòu)以增大測量范圍
04總結(jié)、挑戰(zhàn)與展望
經(jīng)過20多年的發(fā)展，特別是最近幾年實現(xiàn)的突破，超潤滑和超低摩擦在實驗和理論上都取得了長足進步。實驗方面，實現(xiàn)了從微米到厘米尺度的室溫、大氣環(huán)境下的超潤滑和微米尺度的高速超潤滑[9, 46, 49]、實現(xiàn)了宏觀尺度下多個摩擦副如二硫化鉬[26]，類金剛石[6, 33]和石墨烯涂層[34]、水基液體潤滑[35-38]，無定型碳膜[40, 41]等的超低摩擦；理論方面，對于超潤滑的物理機制有了較完整的理解[8, 31, 42, 61, 62, 65-68, 83]，并開始構(gòu)建相應(yīng)的理論體系。這些成果，充分表明了超潤滑和超低摩擦具有很大的實現(xiàn)工業(yè)級應(yīng)用的潛力。
根據(jù)目前的認識，總結(jié)實現(xiàn)理想的超潤滑需具備如下3個前提條件：
1）接觸的兩個表面必須是晶面，甚至不能有單個原子厚度的臺階，且面內(nèi)剛度足夠高。
2）須物理表面、而不能是化學(xué)表面，也就是說，表面原子與面外原子之間需是范德華相互作用，而不能是化學(xué)鍵（共價鍵、金屬鍵、離子鍵甚至氫鍵）。
3）表面間絕對干凈，不能有哪怕是原子、分子大小的附著物。
技術(shù)應(yīng)用需要大面積接觸，這時上述3個條件變得十分苛刻。可見，在通往超潤滑技術(shù)應(yīng)用的道路上，不會一帆風順，將面臨很多挑戰(zhàn)。
第1項挑戰(zhàn)來自于材料方面，即一時難以實現(xiàn)能夠同時滿足上述條件1）和2）的大面積接觸面。例如，公認的可加工成工業(yè)級最平表面的材料之一單晶硅，實際上無法避免原子級臺階。另一類材料是無定型表面（如類金剛石，即DLC），但該類表面有非常多的未飽和的原子（即表面懸鍵）。即使是物理表面，如果不是單晶，則晶界處的化學(xué)鍵也使得條件2）不滿足。
幸運的是，自2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯可單獨存在[84]、且2010年諾貝爾物理獎授予了這項發(fā)現(xiàn)以來，以石墨烯為代表的二維晶體材料受到了極大關(guān)注[12, 85]（圖21），從而在大面積二維晶體材料制備上發(fā)展迅速。二維晶體材料的共同特點是面內(nèi)原子通過非常強的σ化學(xué)鍵相互作用，而層間原子是極弱的物理相互作用，即范德華力。所以這類材料具非常高的面內(nèi)抗拉伸剛度和強度。以石墨烯為例，其楊氏模量高達1TPa，是目前已知強度最高的材料[86]。可見，二維晶體材料是超潤滑材料的絕好候選者。石墨烯外的其余二維晶體材料如二硫化鉬（MoS2）、六方氮化硼（hBN）、二硒化鈮（NbSe2）也具有類似的性質(zhì)[12]（關(guān)于這部分的詳細論述見文獻[24]）。
不過對這些材料超潤滑行為的研究，目前還主要停留在理論階段，如Wang等[87]采用第一原理計算發(fā)現(xiàn)氟化石墨烯和二硫化鉬異質(zhì)結(jié)能實現(xiàn)穩(wěn)定的超潤滑。而O.Hod課題組[88]基于Registry Index方法[89]計算，結(jié)果表明由石墨烯和六方氮化硼組成的異質(zhì)結(jié)由于二者的晶格失配，它們的界面是天然非公度接觸，能實現(xiàn)穩(wěn)定的超潤滑。
圖21 二維晶體材料示意圖[85]
大尺度材料制備方面，最近的一項突破是2014年韓國三星研究院Jae-HyunLee等在鍺基底上制備出的直徑達5cm的無褶皺單晶石墨烯[90]。該研究組還證明可以將制備成的石墨烯完整地轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅基底上，且不存在褶皺。此項研究成果為以石墨烯作為表面層、制備出宏觀尺度的超潤滑表面提供了強有力的支持和啟發(fā)。一般而言，即使有了大尺度的二維單晶體，如何轉(zhuǎn)移到一個平整的基底上并實現(xiàn)無褶皺，依然很具挑戰(zhàn)[90]。
如何實現(xiàn)大尺度二維單晶表面之間絕對干凈的接觸是一項更大的挑戰(zhàn)。只要暴露在環(huán)境中一會兒，表面上就將吸附很多水分子、碳氫化合物、PM2.5等。即使在超凈室，也避免不了吸附。人們可以想象到太空去實現(xiàn)這樣的目標，但成本會高得令人難以接受。因此，一個較為現(xiàn)實的方案是：先接觸上，然后通過某種方法把接觸區(qū)的吸附物從接觸區(qū)排除出去。這正是下面將要討論的問題。
實驗方面，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩種清除接觸區(qū)吸附物的有效方法。第1個是2011年由劉澤和鄭泉水等[91]提出的納米擦子方法（圖22）。由于石墨烯面外變形極易（極其柔軟），且石墨烯層與層之間的相互作用很弱但有效力程達數(shù)納米（范德華力），因此，將一小塊石墨片放置在一個平整表面（如石墨[0001]晶面、硬盤存儲區(qū)上面的DLC鍍層等）后，當表面吸附物只是原子、分子、或納米顆粒時，石墨片處于直接接觸的石墨烯（除被吸附物頂住的部分外）的大部分區(qū)域，將與下面的表面吸附在一起。又由于石墨烯面內(nèi)剛度很大，當石墨塊滑移時，吸附住的石墨烯邊緣將刮掃掉運動前面的吸附物。如圖所示的實驗結(jié)果表明，這個方法不僅可以徹底地清除掉石墨片接觸區(qū)以外的吸附物[55, 91]，也可以高效率地清除接觸區(qū)的吸附物[92]。
圖22 石墨納米擦子[91]
然而，納米擦子方法有可能面臨石墨烯邊緣容易起皺和撕裂的挑戰(zhàn)[59]，這方面的研究非常重要，值得深入進行。
作為第2種方法，馬明、鄭泉水和M. Urbakh等[92]最近通過實驗和理論研究表明，室內(nèi)環(huán)境下，兩片疊加在一起非共度接觸的石墨片之間的摩擦力，隨著來回相互擦拭的次數(shù)增加而迅速減小（圖23），表明的確有清除界面中的吸附物（顆粒或分子原子）數(shù)量的作用，但達不到超潤滑的“零”摩擦標準。文獻[92]揭示了一個新的機理，就是這種來回擦拭可將界面中吸附物的擴散性提高3～10個量級。
圖23 界面自清潔機理
作為本文的結(jié)尾，需要指出的是我們不僅要追求理想的境界–––超潤滑，這將仍然是一個漫漫長征路，也要追求大尺度的超低摩擦，因為當前就有不少重大技術(shù)需求。有關(guān)后者的最新進展是美國Argonne國家實驗室的A. Sumant課題組2015年在《Science》上所報道的發(fā)現(xiàn)[6]，即可以采用在類金剛石顆粒表面和二氧化硅表面間加入石墨烯小片與納米金剛石的方法，實現(xiàn)宏觀尺度的超低摩擦。該方法巧妙地將減小有效接觸面積與形成非公度表面結(jié)合起來，其面臨的主要問題實際上與絕大多數(shù)超低摩擦面臨的問題類似，即加入的納米金剛石會引起工業(yè)中常用表面的嚴重磨損，且其對于環(huán)境濕度有嚴格的要求（在高濕度下失效）。我們深信，已經(jīng)得到應(yīng)用的超低摩擦和將產(chǎn)生應(yīng)用的超潤滑研究將長期并存和相互促進。隨著二維晶體材料制備的迅猛發(fā)展，后者將獲得越來越多的應(yīng)用。
05后記
本文第3.1、3.2、3.3小節(jié)分別由張首沫、趙治華和董華來起草，其它各節(jié)由鄭泉水起草、歐陽穩(wěn)根和馬明補充。全文由鄭泉水修改定稿，歐陽穩(wěn)根統(tǒng)一全文格式和添加參考文獻。受篇幅限制，本文集中介紹超潤滑、以及超低摩擦和納米摩擦等研究中與超潤滑密切相關(guān)部分的主要進展。由于作者的學(xué)識及認識的局限，對重要文獻遺漏和論述不當之處、特致歉意。
致謝
鄭泉水團隊的超潤滑研究，獲得了國家重大基礎(chǔ)研究計劃（973）項目（2013CB934200、2007CB936803）、國家自然科學(xué)基金重點項目（10832005、10332020）、創(chuàng)新群體項目（10121202）和面上項目（11572173、10252001）、唐仲英（中國）基金會（202031003）、北京市科委（Z151100003315008）、和清華大學(xué)自主研究計劃（2014Z01007，2012Z01015）等資助。在本文撰寫過程中，得到了張俊彥等許多寶貴的修改意見。此外，林立、汪洲、瞿蒼宇和龔陽玉潔等提供了部分資料。
參考文獻從略。
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