追求零摩擦之境结构超滑技术与科学

图1：科幻小说《三体》三部曲中三体文明探测器“水滴”的想象图1。其表面绝对光滑，不会有任何摩擦磨损，材料强度极高。在刘慈欣的著名科幻小说《三体》三部曲中，三体文明的宇宙探测器“水滴”无疑是极强大又极唯美、令人震撼的存在。“水滴”这名称来自探测器的外形（图1）。在小说的设定里，由于“水滴”表面的所有原子都被强相互作用力死死地钉在一起，其表面呈现出原子级的绝对光滑，不会有任何摩擦和磨损。并且，“它的强度比太阳系中最坚固的物质还要高百倍，这个世界中的所有物质在它面前都像纸片般脆弱，它可以像子弹穿透奶酪那样穿过地球，表面不受丝毫损伤”（摘自小说原文）。在小说情节里，“水滴”正是靠着它的超高材料强度，和零摩擦零磨损的摩擦学特性，只是利用最原始的撞击，就让人类两千多艘太空战舰几乎全军覆没，而它自己却没有任何损伤。小说写到，“水滴则外形完美。。。用精致的唯美消弭了一切功能和技术的内涵，表现出哲学和艺术的轻逸和超脱”。“水滴”在材料力学和摩擦学方面达到的技术境界确实令人神往。然而，根据人类目前的科学理论，原子间的相互作用不可能是强相互作用，而是弱很多的电磁相互作用，因此，上述“水滴”无法被制造出来。那么，有没有哪种现实的技术有接近“水滴”那样的摩擦学性质呢？答案是有的，一个代表性的技术便是年前后开启的结构超滑技术2–5。结构超滑技术结构超滑（structuralsuperlubricity），我们定义为直接接触（不需要加润滑剂）的两固体表面间相对滑动时，摩擦力几乎为零、磨损为零的状态4,5。在这种状态下，其摩擦系数一般小至0.量级或更低。长期以来，这种“零”摩擦状态只存在于科幻和理论猜测中。而现在，单个接触区域面积达量级的结构超滑已经能成熟地实现。单个更大接触面积乃至宏观的结构超滑的实现，仍然在研究之中5。另外，结构超滑体系接触面两边材料的某些强度确实很强（比钢铁强上百倍），表面也做到了纳米级的平滑，这两点和“水滴”也是有相似之处的。那么，结构超滑体系是如何实现这些优异的摩擦学特性的呢？为了解释结构超滑的基本原理，我们需要引入“公度”与“非公度”的概念。这个概念的严格定义比较复杂。我们这里就用日常生活中常见的鸡蛋盒为例来简单说明，让读者朋友有个直观的认识。如图2所示，我们用两个蛋盒类比两个相同的晶格表面。晶格指晶体内原子排列的具体形式，而晶体可以简单理解为原子周期性规则排列形成的固体。图2：（a）和（b）分别展示了二维下公度和非公度可以用鸡蛋盒来形象地理解6。在图2（a）中，当两蛋盒取向一致时，上面蛋盒的突起恰好嵌入下面蛋盒的凹陷之中，他们刚好卡住。此时我们说上下表面匹配，并把这种情形称为“公度”接触。此时根据日常生活经验，我们知道要把两个蛋盒沿侧向拉开需要花费很大力气，且容易拉坏，对应晶格界面来讲就是摩擦力很大，很容易造成磨损。然而，如果我们将上面的蛋盒旋转一个角度之后再放到下面的蛋盒上，两个蛋盒就无法卡住了，如图2（b）所示。此时我们说上下表面不匹配，并把这种情形称为“非公度”接触。此时只需要很小的力就能拉动上面的蛋盒，并且蛋盒不会拉坏，对应晶格界面来讲就是摩擦力很小，磨损几乎为零。因此，简单来说，结构超滑体系正是通过非公度接触，才实现了优异的摩擦学特性。目前，微米尺度的结构超滑，主要由微米尺寸的石墨块和石墨等材料的接触实现。了解了结构超滑的基本原理和实现方式后，让我们来看看结构超滑技术可能具有什么改变我们生活的颠覆性应用。在我们日常生活中，要降低无处不在的摩擦和磨损，使用润滑液是常见的做法。例如，自行车车轴上使用的润滑油，降低了相关零件的摩擦磨损，增长了自行车使用寿命。但在微纳小尺度下（比人的头发丝直径更小），摩擦和磨损等表面效应会比在宏观尺度下更为显著。然而，在微纳小尺度接触面中使用润滑液却存在很大的困难。这是因为润滑液在微小尺度的限制下会非常粘稠（想象下粘稠的沥青），以及容易在压力下被挤出接触面，造成润滑失效5。因此，对于微小器件来说，由于无法使用润滑液，要降低摩擦磨损就必须避免器件里运动部件间的接触，这也成为了长期以来微小器件的普遍设计“准则”。我们日常使用的各种电子设备，比如手机、电脑中，会大量用到这些微小器件。因此，这个设计“准则”极大地限制了研究者和发明家对于微小器件乃至各种电子设备的想象和发明。结构超滑技术完全不需要润滑液，恰恰能颠覆式地突破以上设计“准则”的限制，赋予各种器件和电子设备设计全新的想象空间。我们团队目前正在研发的四项结构超滑应用技术，包括超滑微发电机、超滑机械硬盘存储技术、超滑射频开关、超滑微谐振器，正是巧妙利用了结构超滑技术，为相关技术领域的痛点问题提供了颠覆性的解决思路。关于这些应用技术的细节，读者朋友可参考我们在“超滑论坛”置顶的结构超滑深度科普文（

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