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永不停止的机械表、永不磨损的轴承不再遥远

清华大学首次发现宏观尺度超润滑存在

来源:北京日报 2013-11-20 任敏

  近日,清华大学魏飞教授带领的研究团队宣布,在世界上首次检测到大气环境中宏观尺度的超润滑现象,这为人类今后克服摩擦现象带来了一线曙光——一旦制造出超润滑的材料和器件,上一次发条就永不停止的机械表、永不磨损的轴承都不再遥远。

  有数据显示,全世界约三分之一至二分之一的一次性能源在摩擦过程中消耗,工业发达国家因摩擦磨损造成的损失占到GDP的5%到7%。在微纳米尺度内,随着材料单位体积上的表面积急剧增大,界面摩擦成为制约器件性能和寿命的关键因素。

  解决摩擦磨损问题的“良方”就是实现超润滑。超润滑真的存在吗?过去20年,许多科学实验证明,它只在特殊的微纳米尺度且大多数在超高真空条件下实现,但这离实际应用很远。科学家们一度以为,在宏观尺度下实现超润滑几乎不可能。

  10年间,清华大学化学工程系教授魏飞带领的团队在碳纳米管方面做了大量研究。他们发现,碳纳米管相邻的两层管壁之间可发生大尺度的相对滑动,这是研究超润滑的理想材料。随后,他们联合清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心与北京大学信息学院开展实验。

  研究人员首先制造出堪称“完美”的碳纳米管,并且证明碳纳米管在长达数厘米的范围内没有任何缺陷。然而碳纳米管的直径仅为几纳米,约为头发丝的万分之一,长度却可以达到数厘米,要想精准地测量内管和外管之间的相对运动非常困难。研究团队设计出一种新颖的标记办法,他们在碳纳米管的表面负载很多二氧化钛纳米颗粒,这种颗粒能散射可见光,通过观测这些纳米颗粒之间的间距变化,就可以获取碳纳米管内外管层之间的相对滑动信息。

  在实验中,研究人员观察到,厘米级长度的碳纳米管内外壁之间可以发生快速的相对滑动,并且测量出管壁间的超低摩擦力,从而证明了超润滑现象。有趣的是,这种摩擦力与碳纳米管的长度没有关系,即无论多长的碳纳米管,其内层都可以被轻易地抽出来。

  值得一提的是,他们还发现,在两端发生断裂的碳纳米管外壁上负载一些纳米片状结构,就可以自然形成一个“微型风车”,轻轻吹一口气,就能高速运转,这也间接证明了超润滑现象。

  世界著名摩擦理论专家、以色列特拉维夫大学的Michael Urbakh教授认为,这项工作“以其里程碑式的新颖发现,确定无疑地证明了宏观尺度超润滑的存在,毫无疑问,这是第一次观察到从微观到宏观尺度下如此低的摩擦力。”

  魏飞说:“我们为实现超润滑提供了理想模型,其他材料只要满足这三个条件,也一样可以实现超润滑,今后纳米器件领域大有可为。”

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2013-11-20 14:49:03]
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