近日，在北京市科委支持下，清華大學(xué)化工系魏飛教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心、北京大學(xué)信息學(xué)院合作，在超潤(rùn)滑領(lǐng)域取得重大突破，在世界上首次檢測(cè)到了大氣環(huán)境下厘米以上長(zhǎng)度碳納米管管層間的超潤(rùn)滑現(xiàn)象。所實(shí)現(xiàn)的超潤(rùn)滑尺度比以前報(bào)道結(jié)果的最高值高出3個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)所得到的摩擦剪切強(qiáng)度比以前報(bào)道結(jié)果的最低值降低了4個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際納米領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然—納米技術(shù)》上。
摩擦現(xiàn)象一直是人類面臨的最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。全世界約1/3至1/2的一次性能源由摩擦過(guò)程消耗；工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家因摩擦磨損造成的損失高達(dá)GDP的5%-7%。在微觀尺度，由于材料比表面積增大，使得摩擦現(xiàn)象更加顯著，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(wèn)題的根本途徑是實(shí)現(xiàn)固體界面之間的極低摩擦甚至零摩擦，即超潤(rùn)滑。過(guò)去二十年中所發(fā)現(xiàn)的超潤(rùn)滑現(xiàn)象主要是在納米尺度和高真空條件下實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)宏觀尺度上的超潤(rùn)滑不僅要求固體表面具有超高的模量，而且要求在宏觀尺度上原子級(jí)平整，無(wú)缺陷與位錯(cuò)，如此苛刻的條件使得人們普遍認(rèn)為大尺度下幾乎不可能實(shí)現(xiàn)超潤(rùn)滑。
碳納米管從結(jié)構(gòu)上看是由石墨烯卷曲而成，理論研究表明，當(dāng)碳納米管存在哪怕只有一個(gè)原子級(jí)別的缺陷時(shí)，其管壁間摩擦力就會(huì)急劇增大。經(jīng)過(guò)近十年的努力，魏飛教授團(tuán)隊(duì)在制備長(zhǎng)達(dá)數(shù)厘米且無(wú)缺陷的碳納米管的制備方面取得了一系列突破，發(fā)展了單根碳納米管的納米顆粒標(biāo)記技術(shù)，這些工作為宏觀尺度超潤(rùn)滑工作奠定基礎(chǔ)。在上述基礎(chǔ)上，魏飛團(tuán)隊(duì)首先在光學(xué)顯微鏡下通過(guò)用微弱氣流吹動(dòng)碳納米管的方法觀察到了碳納米管管壁之間快速相對(duì)運(yùn)動(dòng)的奇妙現(xiàn)象，進(jìn)而利用掃描電鏡下的微納米操縱平臺(tái)進(jìn)行雙壁碳納米管內(nèi)層的可控抽出，并測(cè)量了管壁間的超低摩擦力。研究發(fā)現(xiàn)，雙壁碳納米管的管壁之間存在著超低的摩擦力，并且這種摩擦力與碳納米管的長(zhǎng)度沒(méi)有關(guān)系，即無(wú)論多長(zhǎng)的碳納米管，其內(nèi)層都可以被輕易地抽出來(lái)。
這項(xiàng)工作被《自然—納米技術(shù)》雜志審稿人評(píng)價(jià)為里程碑式原創(chuàng)性工作，對(duì)于研究和控制摩擦力做出了重大的、創(chuàng)造性的貢獻(xiàn)，為下一代全碳電子器件構(gòu)筑、超潤(rùn)滑機(jī)械開(kāi)發(fā)以及超高速微納米機(jī)械、電子器件制備提供了基礎(chǔ)。
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