鄭泉水院士團隊實現(xiàn)微米超滑界面的直接表征
來源：清力技術(shù) 2020-07-15
清華新聞網(wǎng)7月15日電 近日，《物理評論快報》（Physical Review Letters）以“微米尺度石墨超滑界面的表征”（Characterization of a microscale superlubric graphite interface）為題，在線報道了清華大學微納米力學與多學科交叉創(chuàng)新研究中心鄭泉水院士研究組在結(jié)構(gòu)超滑領(lǐng)域取得的重要進展。該工作創(chuàng)造性地提出了一種可直接表征微米超滑接觸界面的方法，借此方法研究了超滑界面的多種缺陷對層間摩擦的影響，建立了超滑界面結(jié)構(gòu)與摩擦行為之間的對應(yīng)關(guān)系。該工作同時被《物理評論快報》選為編輯推薦文章（Editors’Suggestion）。
微米尺度石墨界面結(jié)構(gòu)與摩擦力的對應(yīng)關(guān)系。（a）對于具有自回復(fù)特性的樣品1-3，摩擦力幾乎與正壓力無關(guān)，插圖為不具有自回復(fù)特性樣品8，其摩擦力與正壓力幾乎成正比。（b）樣品2的界面形貌：下表面含有內(nèi)臺階，上表面含有凸起。（c）樣品3的界面形貌：上下表面無任何缺陷結(jié)構(gòu)。（d）樣品8的界面形貌：上下表面均存在外臺階。圖中的尺度棒均為1 µm。
摩擦是人類歷史上研究和利用的最久遠、最基礎(chǔ)、最重要的現(xiàn)象之一，對物理、工程、化學、生物等領(lǐng)域具有十分重要的意義。當今工業(yè)化國家依然有高達約1/4能源因摩擦而消耗掉，約80%機械部件失效由于磨損造成。摩擦、磨損的存在，使得許多關(guān)鍵技術(shù)（從航天器、高鐵、計算機存儲、到微機電系統(tǒng)等）遇到發(fā)展瓶頸。由鄭泉水研究組于2012年開創(chuàng)的結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)，是指兩個微米尺度以上固體接觸間近乎零摩擦、零磨損的現(xiàn)象。該技術(shù)通過石墨島結(jié)構(gòu)的“自回復(fù)”現(xiàn)象來巧妙實現(xiàn)。這個曾經(jīng)被認為“不可能”的技術(shù)的實現(xiàn)，一方面為上述問題帶來了根本解決途徑，另一方面為未來諸多顛覆性技術(shù)帶來了難得的機遇。在深圳市政府和深圳市坪山區(qū)政府專款資助下，全球第一個結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)研究機構(gòu)——深圳清華大學超滑技術(shù)研究所在深圳設(shè)立。
對微米尺度界面結(jié)構(gòu)的直接表征并將其與觀測到的摩擦現(xiàn)象進行關(guān)聯(lián)是該領(lǐng)域多年來的挑戰(zhàn)之一。本文所報道的工作首先在實驗上發(fā)展了一種可將微米尺度范德華層狀材料接觸界面上表面進行翻轉(zhuǎn)的技術(shù)，這一技術(shù)可控地暴露出原本隱藏在兩個接觸體之間的接觸界面，以實現(xiàn)對該界面的直接表征。我們將該技術(shù)應(yīng)用于微米尺度石墨超滑接觸，首次直接證明了具有自回復(fù)特性的石墨島，其接觸界面為兩個單晶表面且彼此非公度；同時在接觸界面的一側(cè)或兩側(cè)偶爾觀察到內(nèi)部缺陷結(jié)構(gòu)，如埋藏在表層以下的內(nèi)臺階等結(jié)構(gòu)，但模擬與實驗均表明，這些內(nèi)部缺陷在低速時不影響接觸界面的超滑特性。與此相反，在不具有自回復(fù)特性的石墨島中，我們觀察到接觸界面的一側(cè)或兩側(cè)存在暴露于表層的外部缺陷，如外臺階等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)會導致極大的摩擦。該結(jié)果回答了困擾我們多年的問題，即為什么只有部分微米尺度石墨界面具有自回復(fù)特性。這一結(jié)果加深了人們對超滑界面結(jié)構(gòu)與摩擦行為間聯(lián)系的理解，也為超滑器件的設(shè)計提供了指導。
鄭泉水教授2016級博士生王琨淇為該論文的第一作者，鄭泉水教授和深圳清華大學研究院超滑技術(shù)研究所的瞿蒼宇博士為共同通訊作者，論文合作者還包括博士生王進，中國科學院物理研究所微加工實驗室全保剛副主任工程師。該論文的第一單位為清華大學機械工程系和摩擦學國家重點實驗室，合作單位包括清華大學工程力學系、清華大學微納米力學與多學科交叉研究中心和中國科學院物理研究所凝聚態(tài)物理國家實驗室。
文章鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.026101
報道轉(zhuǎn)自清華新聞網(wǎng)
供稿：清華大學航天航空學院
編輯：呂婷
