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清华大学郑泉水院士团队揭示结构超滑的摩擦来源

2020年9月18日,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重要进展,该工作通过巧妙的实验,揭示了石墨超滑接触的摩擦力主要来源于接触边缘,并分析了其物理机理。这一结果为理解固体间的摩擦问题提供了新的视角,也为超滑器件提供了指导性的设计准则。

实验装置示意图与典型结果
a)使用原子力显微镜操纵石墨岛,测量石墨超滑接触在不同接触面积与接触周长条件下的摩擦力。(b)摩擦力与X成线性关系,通过其斜率与截距可测出接触面内部与接触边缘各自对摩擦的贡献。

摩擦是一个普遍而重要的问题,它对物理、化学、生物、工程等领域具有十分重要的意义。在当代工业化社会,摩擦和其伴随的磨损消耗了发达国家约1/4的能源,引起约80%的机械部件失效,并使得许多关键技术遇到发展瓶颈。设若两个发生接触的固体表面之间,在不添加任何润滑剂的情况下即能实现“零”摩擦,那么摩擦问题便可迎刃而解。而结构超滑(Structural Superlubricity)现象恰恰为上述看似不可思议的设想提供了可能性。清华大学郑泉水课题组在2008至2012年间的系列工作开创性地利用“石墨岛”体系实现了结构超滑,为颠覆性的超滑技术带来了难得机遇,并在深圳市政府和深圳市坪山区政府资助下,领导建立了全球第一个结构超滑技术研究机构——深圳清华大学研究院超滑技术研究所。

结构超滑的基本理论预言处于超滑状态的接触在低速条件下摩擦力等于零,实验证实超滑接触摩擦力确实极低,但并不严格为零。这是由于真实的超滑接触面总是有限大的,因此存在边界,也即是接触边缘。我们猜测,即使接触面内部处于“零”摩擦状态,接触边缘可能仍然贡献了可观的摩擦力,从而使得总摩擦不为零。然而由于实验方法的限制,以往的研究不能直接测出边缘摩擦力的大小,这一猜测无法验证。这限制了对结构超滑基本机理的理解和对超滑器件的设计。

本次报道的工作正是巧妙地利用了“石墨岛”体系,通过对大量实验数据的详细分析,分别标定出了石墨超滑接触的接触面内部和接触边缘各自所贡献的摩擦力大小。结果表明,超滑接触摩擦力来自于边缘,接触面内部的摩擦力贡献在实验误差范围内几乎为零。平均来讲,一个边缘原子所贡献的摩擦力比一个内部原子所贡献的摩擦力要大至少104倍。借助表征手段,该工作进一步揭示了这一行为背后的物理机理。接触面内部摩擦几乎为零,是因为超滑接触面为原子级光滑的单晶面,偶尔观察到的内部缺陷也并不引起额外的摩擦;而接触边缘之所以贡献了主要的摩擦力,是由于边缘存在大量结构缺陷、化学基团、及环境吸附物。上述摩擦特点预示超滑摩擦存在线性的尺度效应:即不同大小的超滑接触,其摩擦力大小正比于特征尺寸的大小。同时,该论文的结果也意味着在超滑器件的设计当中,应当尽可能减少接触边缘所占的比例,以实现更低的摩擦力。

该工作以“石墨超滑接触的摩擦来源”(Origin of Friction in Superlubric Graphite Contacts)为题,在线发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。深圳清华大学研究院超滑技术研究所的瞿苍宇博士为该论文第一作者,郑泉水教授为通讯作者,论文合作者还包括博士生王琨淇、博士生王进、龚阳玉洁博士、美国宾夕法尼亚大学的Robert Carpick教授、以色列特拉维夫大学的Michael Urbakh教授。

文章链接:
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.126102

清华新闻网链接:
https://news.tsinghua.edu.cn/info/1438/82093.htm

(全文摘自清华新闻网)