超润滑:“零”摩擦的世界

作者: 郑泉水等

来源: 科技导报

发布日期: 2016-05-09

本文探讨了超润滑现象及其在纳米技术时代的研究进展,介绍了超润滑概念的提出、实验验证及其在多个科学领域的交叉应用。文章还讨论了超润滑在生活中的实际影响,以及其在技术突破和创新中的潜力。

“绳子从他的指间松脱,就像上面涂了油一样。林恩·罗克罗斯以一种缓慢、从容、优雅的姿态,沿着没有摩擦力的镜面滑了下去。”这是美国科幻作家杰弗里·A·兰迪斯的作品《镜中人》中的片段,该作品呈现了主人公在落入一个“零”摩擦的镜面大坑中后靠着智慧自我拯救的故事。“零”摩擦这样一个奇妙的假设曾勾起许多科幻爱好者的无限遐想,成为诸多科幻作品描写的要点。

近20多年来,“零”摩擦并不仅仅是科幻界的宠儿,也成为了科学家们研究的热点,是纳米技术时代一个横跨物理、化学、力学、材料、机械、精密制造等诸多传统学科的交叉研究领域。科学家们用“超润滑”来形容两个界面之间摩擦力几乎为零的状态,有关概念于1990年提出,经历了2004年以及2012—2013年实验方面的两次突破,其中中国学者做出了重要贡献。超润滑这样一种奇妙现象的原理是什么?如何被实验证实?

“零”摩擦在哪些领域可能导致技术的突破、或催生前所未有的新技术?未来的主要挑战有哪些?本文针对这些问题,力图带给读者一个较清晰且激动人心的答案,并触发更多的奇思妙想和深入研究。

在人们生活中,摩擦随处可见。当行走在冰面或刚下过小雨的路面上,最好是迈小步,小心翼翼,以免滑倒,这是因为通常的鞋底与这些湿滑的路面只能产生较低的摩擦力,如果真的没有摩擦力或者摩擦力太小,人类便无法行走。

当拖动一件笨重的家具时,需要花费九牛二虎之力以克服摩擦阻力移动家具,过程中也会因摩擦导致地板磨损。在寒冷的冬天,两个手掌相互间使劲搓几下,很快就会感觉手掌热起来了。进入中老年后,由于机体的自恢复功能减弱,膝关节的磨损将变得越来越严重,导致及肿痛,并难以恢复,因此,人到中年,一定要保护好膝关节,如注意减缓爬山之类带冲击性行走。

以上选取生活中随手可拾的例子,目的是传递给读者一个概念,就是摩擦无处不在,并影响着人类生活的方方面面。

人们很早就懂得利用摩擦解决问题。传说1万多年前,燧人氏发明了钻木取火,从而开启了华夏文明。而一些因摩擦带来的难题,也通过古人的经验得到了巧妙解决。例如,600年前在建筑北京故宫时,重达100多吨的石块就是通过冰道从70 km之外的采矿场“滑”到故宫的。

古埃及人在没有任何机械辅助的情况下,如何将几十米之巨大的石雕像运送到沙漠中的金字塔附近的?对此,存在近4000年的Djehoutyhotep墓壁提供了重要线索:古埃及人将塑像放在木制沙舟上,由一群人拉着在沙地里滑行,而舟头所站之人,正不断将舟前的沙子淋湿,以降低摩擦。

人类对摩擦的研究可追溯到近代科技兴起之前的文艺复兴时期,以达芬奇为杰出代表。

由于摩擦来源和机理极其复杂,使得摩擦研究成为一项长期的艰难挑战,至今依然十分活跃。摩擦及其引发的磨损,对当今世界范围内的能源、环境、技术和经济等层面有着巨大影响。例如,驱动汽车行驶的功率,约1/3~1/2用以克服各种摩擦,包括发动机内、传动部件之间、车体与空气、轮胎与路面间的摩擦。摩擦还会造成机器零部件的磨损,形成污染,并导致系统的可靠性和使用寿命降低,甚至引发灾难。

据统计,全球约1/3的一次性能源浪费在摩擦过程中,约80%的机械零部件失效由于摩擦磨损造成,导致工业化国家经济损失高达GDP的5%~7%。此外,现代制造业的一个重要趋势就是精密化和小型化。如图所示,也许在不久的将来,会制造出一个极小的机器人清道夫,自如地进入人体的血管中清除血栓,或是准确地输运药物直达病灶。

不幸的是,机器越小,则其单位体积的表面积则越大,摩擦磨损带来的影响也就越大,这不仅消耗相对更多的能量,而且会导致这种微小型机器的寿命太短,无法得到实际应用。

总而言之,摩擦无时无刻都在影响着人类的生活,从古至今,人类已经习惯了利用或克服摩擦解决问题,并形成了“摩擦无处不在”的思维定势。很难想象当人处在“零”摩擦的世界时,能否像《镜中人》中林恩·罗克罗斯一样充满智慧地脱离困境?对于从事与摩擦相关的研究者和发明家来讲,如能突破这个思维定势,在“零”摩擦的世界里大胆地思考和尝试以前的“不可能”,定能产生不少很有意义的创新。

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