清華發(fā)現(xiàn)超潤(rùn)滑現(xiàn)象 永不停止的機(jī)械表不是夢(mèng)

近日，清華大學(xué)魏飛教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)宣布，在世界上首次檢測(cè)到大氣環(huán)境中宏觀尺度的超潤(rùn)滑現(xiàn)象，這為人類今后克服摩擦現(xiàn)象帶來(lái)了一線曙光——一旦制造出超潤(rùn)滑的材料和器件，上一次發(fā)條就永不停止的機(jī)械表、永不磨損的軸承都不再遙遠(yuǎn)。

雙層碳納米管管壁之間存在超潤(rùn)滑的示意圖，這個(gè)圖表示，從理論上講，無(wú)論碳納米管有多長(zhǎng)，都可以用微小的力將其內(nèi)層從管中抽出。(清華大學(xué)化工系供圖)

有數(shù)據(jù)顯示，全世界約三分之一至二分之一的一次性能源在摩擦過(guò)程中消耗，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家因摩擦磨損造成的損失占到GDP的5%到7%。在微納米尺度內(nèi)，隨著材料單位體積上的表面積急劇增大，界面摩擦成為制約器件性能和壽命的關(guān)鍵因素。

解決摩擦磨損問(wèn)題的“良方”就是實(shí)現(xiàn)超潤(rùn)滑。超潤(rùn)滑真的存在嗎?過(guò)去20年，許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，它只在特殊的微納米尺度且大多數(shù)在超高真空條件下實(shí)現(xiàn)，但這離實(shí)際應(yīng)用很遠(yuǎn)。科學(xué)家們一度以為，在宏觀尺度下實(shí)現(xiàn)超潤(rùn)滑幾乎不可能。

10年間，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授魏飛帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在碳納米管方面做了大量研究。他們發(fā)現(xiàn)，碳納米管相鄰的兩層管壁之間可發(fā)生大尺度的相對(duì)滑動(dòng)，這是研究超潤(rùn)滑的理想材料。隨后，他們聯(lián)合清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心與北京大學(xué)信息學(xué)院開展實(shí)驗(yàn)。

研究人員首先制造出堪稱“完美”的碳納米管，并且證明碳納米管在長(zhǎng)達(dá)數(shù)厘米的范圍內(nèi)沒有任何缺陷。然而碳納米管的直徑僅為幾納米，約為頭發(fā)絲的萬(wàn)分之一，長(zhǎng)度卻可以達(dá)到數(shù)厘米，要想精準(zhǔn)地測(cè)量?jī)?nèi)管和外管之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)非常困難。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種新穎的標(biāo)記辦法，他們?cè)谔技{米管的表面負(fù)載很多二氧化鈦納米顆粒，這種顆粒能散射可見光，通過(guò)觀測(cè)這些納米顆粒之間的間距變化，就可以獲取碳納米管內(nèi)外管層之間的相對(duì)滑動(dòng)信息。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員觀察到，厘米級(jí)長(zhǎng)度的碳納米管內(nèi)外壁之間可以發(fā)生快速的相對(duì)滑動(dòng)，并且測(cè)量出管壁間的超低摩擦力，從而證明了超潤(rùn)滑現(xiàn)象。有趣的是，這種摩擦力與碳納米管的長(zhǎng)度沒有關(guān)系，即無(wú)論多長(zhǎng)的碳納米管，其內(nèi)層都可以被輕易地抽出來(lái)。

值得一提的是，他們還發(fā)現(xiàn)，在兩端發(fā)生斷裂的碳納米管外壁上負(fù)載一些納米片狀結(jié)構(gòu)，就可以自然形成一個(gè)“微型風(fēng)車”，輕輕吹一口氣，就能高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這也間接證明了超潤(rùn)滑現(xiàn)象。

世界著名摩擦理論專家、以色列特拉維夫大學(xué)的Michael Urbakh教授認(rèn)為，這項(xiàng)工作“以其里程碑式的新穎發(fā)現(xiàn)，確定無(wú)疑地證明了宏觀尺度超潤(rùn)滑的存在，毫無(wú)疑問(wèn)，這是第一次觀察到從微觀到宏觀尺度下如此低的摩擦力。”

魏飛說(shuō)：“我們?yōu)閷?shí)現(xiàn)超潤(rùn)滑提供了理想模型，其他材料只要滿足這三個(gè)條件，也一樣可以實(shí)現(xiàn)超潤(rùn)滑，今后納米器件領(lǐng)域大有可為。”