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郑泉水等在《自然》发表“跨尺度的结构超滑和超低摩擦”展望综述 |
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清华新闻网11月26日电 11月22日，清华大学工程力学系、微纳米力学与多学科交叉研究中心暨摩擦学国家重点实验室的郑泉水教授作为两位通信作者之一，和三位国外合作者在国际顶级期刊《自然》(Nature)上发表了题为“跨尺度的结构超滑和超低摩擦”（Structural superlubricity and ultralow friction across the length scales）的展望综述(Perspective)。文章的发表再一次表明了郑泉水团队在结构超滑领域的国际引领地位。
摩擦、磨损对人类社会影响深远。据统计，全球约1/4的一次性能源因摩擦而损耗，约80%的器件失效由磨损而引起。带来巨额经济损失的同时，还造成环境污染和无法挽回的资源浪费。进一步，摩擦、磨损的存在，使得许多关键技术（从航天器、高铁、计算机存储、到微机电系统等）遇到发展瓶颈；不少精妙的设计，仅能存在于人们的图纸或科幻小说之中。那么，有没有根本性的解决方案呢？
两个固体表面直接接触并相对滑移运动，摩擦磨损主要源于表面本身的粗糙性、表面之间的夹杂物和化学键等。早在1983年佩拉尔（M. Peyrard）和奥布里（S. Aubry）就利用一个十分简单、只含两个弹簧系数的Frenkel-Kontorova 模型（简称FK模型），从理论上预测了两个原子级光滑且非公度接触的范德华固体表面（如石墨烯、二硫化钼等二维材料表面）之间存在几乎为零（简称“零”）摩擦、磨损的可能。近十年后平野（M. Hirano）等人通过FK模型的计算，再次提出了类似的预测，将其命名为超润滑（Superlubricity），并作了多次实验尝试。此后，马丁（J.M. Martin）等于1993年实验观察到了摩擦系数低达10-3量级的超低摩擦现象。由于长期没有证实佩拉尔等预测的超润滑概念，人们渐渐地将超低摩擦现象称作为超润滑，而将前者改称为结构润滑（Structural Lubricity）。人类历史上第一次观察到结构超滑（Structural Superlubricity）是在2004年，由荷兰科学院院士弗伦肯（J. Frenken）领衔的团队在纳米尺度、超高真空、低速（微米/秒）的条件下观察到石墨-石墨烯界面超滑。由于实验条件过于苛刻，无法投入实用。并且，包括弗伦肯本人在内的许多科学家都不仅认为，而且从理论上“证明”纳米以上尺度结构超滑难以实现。
2008年，郑泉水团队在世界上首次实验实现了微米尺度结构超滑。2012年，郑泉水团队证实了这是结构超滑，从而颠覆了人们的有关认识。弗伦肯（J. Frenken）等在《化学世界》（Chemistry World）（2012）上评价：“这是一个聪明的、经过仔细设计且极具勇气的实验。该现象发生在介观尺度，立刻将这个现象的研究从学术兴趣转化到实际应用（“immediately brings it from academic to practical interest” ）。此后，全球性的结构超滑和极低摩擦研究都进入了一个加速增长期，研究者们在不同的系统中都观测到了结构润滑现象（图1）。清华大学除了以郑泉水教授为代表的研究团队在结构超滑领域处于国际领先地位之外，以雒建斌院士为代表的研究团队在固-液界面极低摩擦研究领域同样处于国际领先地位。
图1.（a）微米尺度（1-10 μm）和（b）亚微米尺度（~ 200 nm）石墨岛的结构超滑。（c） 厘米长双壁碳管的结构超滑。（d）类金刚石球、金刚石颗粒以及片状石墨烯形成的宏观极低摩擦界面（引自Nature展望原文图2）。
2016年郑泉水团队在《科技导报》撰写中文综述“超润滑:“零”摩擦的世界”，介绍结构超滑进展。在此基础上，此篇在《自然》上的展望综述更新了上述进展，并阐述了结构超滑未来的发展趋势和主要面临的挑战。自2008年以来，经过十年契而不舍探索和研究，结构超滑很可能正处于产生颠覆性关键技术和源头创新技术的前夜。这些技术的产生和应用将为人类更美好的未来做出历史性贡献。
鉴于这种前瞻性认识，在清华大学和深圳市政府的支持下， 2018年9月深圳清华大学研究院设立了超滑技术研究所，由郑泉水教授担任所长。其发展战略是充分整合郑泉水教授在结构超滑基础研究、清华大学在多个技术学科（高端制造、信息技术、空天技术等）、深圳市在实体产业、深圳清华研究院在技术孵化方面等的独特优势，致力于结构超滑颠覆性关键技术和源头创新技术的研发。
本文另外一位通讯作者为以色列特拉维夫大学化学学院奥德·霍德（Oded Hod）教授，三位国外合作者分别为以色列特拉维夫大学化学学院院长迈可·乌尔巴赫（Michael Urbakh）教授和奥德·霍德教授，以及瑞士巴塞尔大学物理系的厄恩斯特·迈耶（Ernst Meyer）教授。他们三位分别采用理论模型、分子动力学/第一原理计算、和实验方法研究纳米尺度结构超滑。
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