超潤滑材料讓永不磨損軸承成為可能

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

有數(shù)據(jù)顯示，全世界約1/3至1/2的一次性能源都在摩擦過程中被消耗，工業(yè)發(fā)達國家因摩擦、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、磨損問題的“良方”就是實現(xiàn)超潤滑。超潤滑真的存在嗎？過去20年，許多科學實驗證明，它只在特殊的微納米尺度，且大多數(shù)在超高真空條件下才能實現(xiàn)，但這離實際應用很遠�？茖W家們一度以為，在宏觀尺度下實現(xiàn)超潤滑幾乎不可能。

10年間，魏飛帶領的團隊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)生大尺度的相對滑動，這是研究超潤滑的理想材料。隨后，他們聯(lián)合清華大學微納米力學與多學科交叉創(chuàng)新研究中心與北京大學信息學院開展實驗。

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達數(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)絲的萬分之一，長度卻可以達到數(shù)厘米，要想精準地測量內(nèi)管和外管之間的相對運動非常困難。研究團隊設計出一種新穎的標記辦法，他們在碳納米管的表面負載很多二氧化鈦納米顆粒，這種顆粒能散射可見光，通過觀測這些納米顆粒之間的間距變化，就可以獲取碳納米管內(nèi)外管層之間的相對滑動信息。

在實驗中，研究人員觀察到，厘米級長度的碳納米管內(nèi)外壁之間可以發(fā)生快速的相對滑動，并且測量出管壁間的超低摩擦力，從而證明了超潤滑現(xiàn)象。有趣的是，這種摩擦力與碳納米管的長度沒有關(guān)系，即無論多長的碳納米管，其內(nèi)層都可以被輕易地抽出來。

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載一些納米片狀結(jié)構(gòu)，就可以自然形成一個“微型風車”，輕輕吹一口氣，就能高速運轉(zhuǎn)，這也間接證明了超潤滑現(xiàn)象。

世界著名摩擦理論專家、以色列特拉維夫大學的Michael Urbakh教授認為，這項工作“以其里程碑式的新穎發(fā)現(xiàn)，確定無疑地證明了宏觀尺度超潤滑的存在，毫無疑問，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：“我們?yōu)閷崿F(xiàn)超潤滑提供了理想模型，其他材料只要滿足條件，也一樣可以實現(xiàn)超潤滑，今后納米器件領域大有可為�！�