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清华大学郑泉水院士团队实现微米超滑界面的直接表征

近日,《物理评论快报》(Physical Review Letters)以“微米尺度石墨超滑界面的表征”(Characterization of a microscale superlubric graphite interface)为题,在线报道了清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心郑泉水院士研究组在结构超滑领域取得的重要进展。该工作创造性地提出了一种可直接表征微米超滑接触界面的方法,借此方法研究了超滑界面的多种缺陷对层间摩擦的影响,建立了超滑界面结构与摩擦行为之间的对应关系。该工作同时被《物理评论快报》选为编辑推荐文章(Editors’Suggestion)。


图为 微米尺度石墨界面结构与摩擦力的对应关系。(a)对于具有自回复特性的样品1-3,摩擦力几乎与正压力无关,插图为不具有自回复特性样品8,其摩擦力与正压力几乎成正比。(b)样品2的界面形貌:下表面含有内台阶,上表面含有凸起。(c)样品3的界面形貌:上下表面无任何缺陷结构。(d)样品8的界面形貌:上下表面均存在外台阶。图中的尺度棒均为1μm。

摩擦是人类历史上研究和利用的最久远、最基础、最重要的现象之一,对物理、工程、化学、生物等领域具有十分重要的意义。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。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。由郑泉水研究组于2012年开创的结构超滑技术,是指两个微米尺度以上固体接触间近乎零摩擦、零磨损的现象。该技术通过石墨岛结构的“自回复”现象来巧妙实现。这个曾经被认为“不可能”的技术的实现,一方面为上述问题带来了根本解决途径,另一方面为未来诸多颠覆性技术带来了难得的机遇。在深圳市政府和深圳市坪山区政府专款资助下,全球第一个结构超滑技术研究机构——深圳清华大学超滑技术研究所在深圳设立。

对微米尺度界面结构的直接表征并将其与观测到的摩擦现象进行关联是该领域多年来的挑战之一。本文所报道的工作首先在实验上发展了一种可将微米尺度范德华层状材料接触界面上表面进行翻转的技术,这一技术可控地暴露出原本隐藏在两个接触体之间的接触界面,以实现对该界面的直接表征。我们将该技术应用于微米尺度石墨超滑接触,首次直接证明了具有自回复特性的石墨岛,其接触界面为两个单晶表面且彼此非公度;同时在接触界面的一侧或两侧偶尔观察到内部缺陷结构,如埋藏在表层以下的内台阶等结构,但模拟与实验均表明,这些内部缺陷在低速时不影响接触界面的超滑特性。与此相反,在不具有自回复特性的石墨岛中,我们观察到接触界面的一侧或两侧存在暴露于表层的外部缺陷,如外台阶等结构,这些结构会导致极大的摩擦。该结果回答了困扰我们多年的问题,即为什么只有部分微米尺度石墨界面具有自回复特性。这一结果加深了人们对超滑界面结构与摩擦行为间联系的理解,也为超滑器件的设计提供了指导。

郑泉水教授2016级博士生王琨淇为该论文的第一作者,郑泉水教授和深圳清华大学研究院超滑技术研究所的瞿苍宇博士为共同通讯作者,论文合作者还包括博士生王进,中国科学院物理研究所微加工实验室全保刚副主任工程师。该论文的第一单位为清华大学机械工程系和摩擦学国家重点实验室,合作单位包括清华大学工程力学系、清华大学微纳米力学与多学科交叉研究中心和中国科学院物理研究所凝聚态物理国家实验室。

文章链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.026101

(供稿:微纳米力学中心)