清華大學鄭泉水院士團隊揭示結構超滑的摩擦來源


清華新聞網9月24日電 近日,清華大學微納米力學與多學科交叉創新研究中心鄭泉水院士研究組在結構超滑領域取得重要進展,該工作通過巧妙的實驗,揭示了石墨超滑接觸的摩擦力主要來源於接觸邊緣,並分析了其物理機理。這一結果為理解固體間的摩擦問題提供了新的視角,也為超滑器件提供了指導性的設計準則。

實驗裝置示意圖與典型結果

(a)使用原子力顯微鏡操縱石墨島,測量石墨超滑接觸在不同接觸面積與接觸周長條件下的摩擦力。(b)摩擦力與X成線性關係,通過其斜率與截距可測出接觸面內部與接觸邊緣各自對摩擦的貢獻。

摩擦是一個普遍而重要的問題,它對物理、化學、生物、工程等領域具有十分重要的意義。在當代工業化社會,摩擦和其伴隨的磨損消耗了發達國家約1/4的能源,引起約80%的機械部件失效,並使得許多關鍵技術遇到發展瓶頸。設若兩個發生接觸的固體表面之間,在不添加任何潤滑劑的情況下即能實現“零”摩擦,那麼摩擦問題便可迎刃而解。而結構超滑(Structural Superlubricity)現象恰恰為上述看似不可思議的設想提供了可能性。清華大學鄭泉水課題組在2008至2012年間的系列工作開創性地利用“石墨島”體系實現了結構超滑,為顛覆性的超滑技術帶來了難得機遇,並在深圳市政府和深圳市坪山區政府資助下,領導建立了全球第一個結構超滑技術研究機構——深圳清華大學研究院超滑技術研究所。

結構超滑的基本理論預言處於超滑狀態的接觸在低速條件下摩擦力等於零,實驗證實超滑接觸摩擦力確實極低,但並不嚴格為零。這是由於真實的超滑接觸面總是有限大的,因此存在邊界,也即是接觸邊緣。我們猜測,即使接觸面內部處於“零”摩擦狀態,接觸邊緣可能仍然貢獻了可觀的摩擦力,從而使得總摩擦不為零。然而由於實驗方法的限制,以往的研究不能直接測出邊緣摩擦力的大小,這一猜測無法驗證。這限制了對結構超滑基本機理的理解和對超滑器件的設計。

本次報道的工作正是巧妙地利用了“石墨島”體系,通過對大量實驗數據的詳細分析,分別標定出了石墨超滑接觸的接觸面內部和接觸邊緣各自所貢獻的摩擦力大小。結果表明,超滑接觸摩擦力來自於邊緣,接觸面內部的摩擦力貢獻在實驗誤差範圍內幾乎為零。平均來講,一個邊緣原子所貢獻的摩擦力比一個內部原子所貢獻的摩擦力要大至少104倍。藉助表徵手段,該工作進一步揭示了這一行為背後的物理機理。接觸面內部摩擦幾乎為零,是因為超滑接觸面為原子級光滑的單晶面,偶爾觀察到的內部缺陷也並不引起額外的摩擦;而接觸邊緣之所以貢獻了主要的摩擦力,是由於邊緣存在大量結構缺陷、化學基團、及環境吸附物。上述摩擦特點預示超滑摩擦存在線性的尺度效應:即不同大小的超滑接觸,其摩擦力大小正比於特徵尺寸的大小。同時,該論文的結果也意味着在超滑器件的設計當中,應當儘可能減少接觸邊緣所佔的比例,以實現更低的摩擦力。

該工作以“石墨超滑接觸的摩擦來源”(Origin of Friction in Superlubric Graphite Contacts)為題,在線發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。深圳清華大學研究院超滑技術研究所的瞿蒼宇博士為該論文第一作者,鄭泉水教授為通訊作者,論文合作者還包括博士生王琨淇、博士生王進、龔陽玉潔博士、美國賓夕法尼亞大學的Robert Carpick教授、以色列特拉維夫大學的Michael Urbakh教授。

文章鏈接:

//link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.126102

供稿:航天航空學院

編輯:李華山

審核:程曦

2020年09月24日 11:58:03  清華新聞網

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