深圳国际研究生院郑泉水团队实现宏观尺度稳定自超滑
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清华新闻网3月2日电 摩擦与磨损长期制约着精密机械与机电系统的发展，而自超滑作为一种极端界面状态，可在两个固体表面无润滑剂直接接触滑动时，实现零磨损、零静摩擦以及近零摩擦系数。此前，自超滑的接触尺度一直局限于纳米和微米范围，大大限制了其应用想象空间，“尺度障碍”成为该领域发展的关键瓶颈。
近日，清华大学深圳国际研究生院郑泉水院士和彭德利助理教授课题组在肉眼可见的宏观尺度实现稳健自超滑，破解了这一持续多年的科学难题，将自超滑真正带入宏观世界。
研究团队基于无褶皱单晶石墨材料，采用大尺度原子级光滑表面构筑方法，成功制备出近乎无缺陷的亚毫米尺度洁净非公度范德华界面。依托这一可直接观测的宏观滑动体系，研究人员能够采用宏观加载与测量方式直接研究自超滑行为。
宏观自超滑界面摩擦力的载荷依赖性。（a）摩擦力随法向载荷（1 mN～0.5 N）的变化关系；（b, c）另外两组尺寸样品的摩擦力–法向载荷关系，均表现出负摩擦系数行为
实验结果显示，在1mN至0.5N的宽载荷范围内，界面摩擦与载荷基本无关，其微分摩擦系数与绝对摩擦系数均低至10-6量级。研究中还首次在宏观摩擦体系中观测到负摩擦系数现象，即载荷增加反而导致摩擦降低，表明界面摩擦已逼近其本征极限，摩擦系数实际趋近于零。
基于实验结果推算，即使将一头成年大象的重量施加于该界面，仅需相当于一颗鸡蛋重量的微小驱动力即可使其发生滑动。进一步研究表明，在亚毫米尺度石墨与二硫化钼异质结界面中同样能够实现上述理想状态，说明宏观自超滑并非单一材料的特例，而在层状范德华材料体系中具有普适性。
这一研究成果是力学、材料科学、制造与表界面物理等多学科深度交叉融合的结果。宏观尺度稳定自超滑的实现，有望成为下一代机械与机电系统的根技术，为先进制造、高端装备、精密仪器、航空航天、智能机器人及新能源汽车等领域中的摩擦磨损问题提供颠覆性技术路径。
研究成果以“稳健的宏观尺度结构超滑的实现”（Observation of robust macroscale structural superlubricity）为题，于2月17日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
清华大学深圳国际研究生院郑泉水院士和彭德利助理教授为论文共同通讯作者，清华大学深圳国际研究生院2024级博士生韩旻昊、彭德利为论文共同第一作者。论文其他作者还包括苏州实验室教授丁峰、清华大学航天航空学院教授徐志平、以色列特拉维夫大学教授迈克尔·乌尔巴克（Michael Urbakh）、意大利的里雅斯特国际高等研究院博士后王进等。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金及深圳市重点实验室等的支持。
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