星期日, 11月 24

清華發現超潤滑現象永不停止機械表不是夢

  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境中宏觀尺度的超潤滑現象,這為人類今後克服摩擦現象帶來了一線曙光——一旦製造出超潤滑的材料和器件,上一次發條就永不停止的機械表、永不磨損的軸承都不再遙遠。


  雙層碳納米管管壁之間存在超潤滑的示意圖,這個圖表示,從理論上講,無論碳納米管有多長,都可以用微小的力將其內層從管中抽出。(清華大學化工系供圖) 

  有數據顯示,全世界約三分之一至二分之一的一次性能源在摩擦過程中消耗,工業發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,隨著材料單位體積上的表面積急劇增大,界面摩擦成為製約器件性能和壽命的關鍵因素。

  解決摩擦磨損問題的“良方”就是實現超潤滑。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在超高真空條件下實現,但這離實際應用很遠。科學家們一度以為,在宏觀尺度下實現超潤滑幾乎不可能。

  10年間,清華大學化學工程系教授魏飛帶領的團隊在碳納米管方面做了大量研究。他們發現,碳納米管相鄰的兩層管壁之間可發生大尺度的相對滑動,這是研究超潤滑的理想材料。隨後,他們聯合清華大學微納米力學與多學科交叉創新研究中心與北京大學信息學院開展實驗。

  研究人員首先製造出堪稱“完美”的碳納米管,並且證明碳納米管在長達數厘米的範圍內沒有任何缺陷。然而碳納米管的直徑僅為幾納米,約為頭髮絲的萬分之一,長度卻可以達到數厘米,要想精準地測量內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外壁之間可以發生快速的相對滑動,並且測量出管壁間的超低摩擦力,從而證明了超潤滑現象。有趣的是,這種摩擦力與碳納米管的長度沒有關係,即無論多長的碳納米管,其內層都可以被輕易地抽出來。

  值得一提的是,他們還發現,在兩端發生斷裂的碳納米管外壁上負載一些納米片狀結構,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,這也間接證明了超潤滑現象。

  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現,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:“我們為實現超潤滑提供了理想模型,其他材料只要滿足這三個條件,也一樣可以實現超潤滑,今後納米器件領域大有可為。 ”
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