清華大學鄭泉水課題組研究發(fā)現(xiàn)“高速超潤滑”
清華新聞網(wǎng)7月8日電 近日，清華大學微納米力學中心（CNMM）主任鄭泉水教授主持的課題組在美國《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發(fā)表文章（J. Yang et al., 110, 255504 (2013)）展示了一種理論概念“超潤滑”現(xiàn)象的可實用性，即在微米尺度和米每秒的宏觀速度下將摩擦降低至幾乎為0。該工作被美國物理學會（APS）新聞網(wǎng)站Physics重點報道。論文第一作者為清華大學微納米力學中心博士生楊佳瑞。
清華大學和特拉維夫大學的研究人員合作發(fā)現(xiàn)，原本僅限于學術領域的超潤滑現(xiàn)象可以讓微器件以90公里每小時的速度發(fā)生相對滑動，快如高速公路上的汽車。
沒有摩擦的世界是很難想象的。摩擦為鞋子和輪胎提供了向前驅(qū)動的抓地力。沒有摩擦，公路將會如冰面一樣滑。但是摩擦更會導致巨大的能量浪費。為了減少這種浪費，潤滑劑在從鉸鏈到汽車引擎等許多領域被廣泛應用，并且價格不菲。然而，盡管有潤滑技術，全球仍有約三分之一的用于運輸?shù)娜剂夏茉聪脑诳朔Σ辽希]有提供有效的功率。
當系統(tǒng)尺寸縮小到微芯片的大小時，情況就變得更糟。在微觀尺度，物體極高的表面積-體積比，使得摩擦這種表面現(xiàn)象變得十分顯著，進而大大阻礙了物體的運動。另一方面，由于尺度的原因，在微器件中加入潤滑劑是十分困難的。
該課題組之前曾報道過單晶石墨片在解理滑移后的自發(fā)回復原位的現(xiàn)象，簡稱自回復現(xiàn)象。
這種自回復現(xiàn)象來源于石墨片的解理面通常為轉(zhuǎn)動晶界，也就是說解理面上下層原子的晶格處于失配狀態(tài)。因此上下表面在發(fā)生相對滑移時受到的摩擦力幾乎為0。這種由晶格失配導致的消除摩擦的現(xiàn)象正是超潤滑的定義。
在最新的這項與以色列特拉維夫大學的摩擦理論專家Michael Urbakh的合作研究中，楊佳瑞基于激光刀口法建立了一套檢測石墨片自回復運動的設備，并成功的測量了其速度。Urbakh教授對此評價道：“我已經(jīng)研究超潤滑的理論多年，在普通的光學顯微鏡下觀察到這種效應將該領域向前推進了一大步。”
實驗結(jié)果表明，一個邊長為3微米的方形石墨納米級薄片在自回復運動中可以達到25 m/s（90公里每小時）的滑動速度。有趣的是，這一最高速度是在將石墨片加熱到100攝氏度以上才能達到。研究人員對此現(xiàn)象的解釋是，溫度的升高增加了石墨片原子的振動，幫助它克服了由不可避免的界面缺陷導致的阻礙滑動的勢壘。
在這項工作之前，超潤滑的實驗只能在微米每秒的速度下進行，大致等同于蝸牛的爬行速度。而且這些實驗條件苛刻，要求超高真空以及納米級的接觸點。對此鄭泉水教授評論道：“在如此大的尺度下觀察到高速超潤滑，并且是在普通的大氣環(huán)境下，這為超潤滑概念提供了實用化的可能。”
未來可能的應用包括小型化的硬盤讀寫磁頭、用于無線通訊的高頻振蕩器以及其他依賴高速運動的微器件。
供稿：航天航空學院 編輯：范 麗
