【国家科技奖系列报道】“零”摩擦:于黑暗中寻找光亮,挑战不可能

爱因斯坦说:“如果一个想法最初听起来不荒谬,那就不要对它寄予希望。”而郑泉水教授和他的一群博士生在2017年国家自然科学奖二等奖项目“范德华层状介质的滑移行为和力学模型”(获奖人:郑泉水、刘哲、徐志平、刘泽、刘益伦)中的研究经历,则诠释了要想挑战成功一个“荒谬”甚至“不可能”的问题,需要投入满腔热情和勇气,百折不挠地坚持,再加上或多或少的运气。

结构超滑(Structural Superlubricity)是指两个固体表面直接接触做相对滑移运动时,出现几乎为零(简称“零”)的摩擦和磨损的状态。绝对的零接触摩擦在物理中是不可能的,那么,在两个原子级光滑的范德华表面(如石墨烯、二硫化钼等二维材料)之间有没有可能实现结构超滑呢?“零”摩擦的一个自然推论是零磨损,这意味着“无限长”的寿命。想想“永动机”的“下场”,结构超滑的想法也的确够疯狂的。

因为一个偶然机遇,郑泉水参与到这场“疯狂的游戏”中——《科学》杂志曾在2000年报道了一个有趣的现象:多壁碳纳米管的一个芯管抽出后,可以自发缩回运动到外管中去。郑泉水和合作者、美国加州大学河滨分校教授蒋庆看到后,预言可用多壁碳纳米管制造一类全新的(即基于结构超滑的)机械振荡器。文章于2002年在《物理评论快报》(简称PRL)报道后,多位著名学者在《物理评论聚焦》上表示,这是第一个该类纳米器件,有很大意义,但同时也对实验物理学家提出了巨大挑战。事实上,直到最近实验才测到了该文预言的机械振荡现象,可见这的确是一个不小的挑战。

郑泉水曾于2004年以纯理论的项目“张量函数表示理论与本构方程不变性研究”获得过国家自然科学二等奖(获奖人:郑泉水、黄克智)。在接触上述课题前,他是一位纯粹的理论研究者,几乎没做过实验研究,也没有实验室。他半开玩笑地说,自己于2003年开始尝试振荡器的实验时,真可谓“无知者无畏”呀!多年后的今天回看这项研究,郑泉水认为自己之所以能“生存”下来,以往建立的学术声誉、坚持、运气和学生是关键。例如,郑泉水指导的博士生中曾有三位获得了全国优秀博士论文奖,所以即使是参与一项全新的探索,学生对老师的判断也会有较充分的信任。另外需要特别指出的是,无论郑泉水在这场漫长的跋涉中遭遇到多么大的困难,黄克智院士以及清华大学的多届校领导,始终站在背后给予最大可能的支持。

郑泉水回忆说,研究遇到的第一个“运气”,是在时任国家自然科学基金委数理学部主任白以龙院士和中科院物理所解思深院士的引荐和支持下,国家自然科学基金委拨出1/3的委主任基金紧急启动了这项实验研究;紧接着,清华大学拨出了100万自主研究经费支持实验的开展。第二个“运气”,是当时有来自不同学科的多位著名学者(特别是清华大学的朱静院士、范守善院士、薛其坤院士,北京大学的彭练矛教授,以及中科院物理所的吕力和翁羽翔研究员等)决定给予实验上的合作和大力支持。第三个“运气”,是当时已经是博士生二年级的江博在郑泉水的指导下,勇敢地接受了实验的挑战。第四个“运气”,则是经过近一年的实验尝试后,郑泉水决定采用高定向石墨,而不再是多壁碳纳米管,去设计实验。主要的考量是,采用微纳加工技术,可以成批地制备出不同大小、不同形状的实验用品。这个决策的背后,也有隐隐约约的今后更有可能走到大规模生产的考量。但当时,多位材料大专家都认为这是一个“疯狂”的想法,因为人们已经发现和使用石墨片很长很长时间了,从来没有人观察到滑移开的石墨片能够缩回去!

一方面,出身理论研究的郑泉水缺乏实验的经验,这是一个短板;另一方面,对理论的“信仰”和深刻理解,使得他有不断尝试和坚持的底气。但江博的实验遇到了极大的困难——频繁出入于上述合作教授的不同的实验室,却一而再、再而三地遭遇失败。每次失败后,师生两人就会坐下来,静静地分析,找出失败的可能原因。郑泉水总能“看到”一丝似乎可能引导走出黑暗的“光”;而江博也总能坚持着再回到实验室去尝试。这场艰难跋涉,足足进行了两年多。直到2006年,他们终于用微米尺度石墨块实现了滑移自缩回运动现象。打个比方,这个现象就犹如将两块同样大小的砖上下叠在一起,将上面的砖往外滑动一个距离(比如砖的1/3长度),放手后,发现上面的砖会自动地缩回到叠在一起的位置。

因为这个神奇的自缩回运动现象之前从未有人在任何晶体中发现过,激发了郑泉水的博士生杨佳瑞和刘泽等去深入实验探究,并试图观察到振荡现象;刘哲、徐志平和刘益伦等则致力于理论探究、模型计算和机理理解。显而易见,这需要多学科的合作。幸运的是,为支持这项研究及其代表的多学科合作模式,清华大学于2010年设立并大力资助了以郑泉水为主任的微纳米力学与多学科交叉研究中心。从此,郑泉水终于有了自己的实验室,并能够与来自多学科(微纳加工、物理、化学、材料、器件等领域)的合作者(除上述人员外,还有Francoise Grey教授、程曜教授、李志宏教授、李喜德教授、魏飞教授、张莹莹副教授等)经常“脑力碰撞”。这极大地加速了相关研究的进程。特别是,有了挑战微米尺度结构超滑“不可能”的条件。经过四年多的努力,郑泉水、刘泽、杨佳瑞等于2012年证明了产生上述自缩回运动现象最不可思议的原因,是微米尺度结构超滑!

早在1983年,人们就预测有可能实现结构超滑;1993年日本学者平野(Motohisa Hirano)等观察到了纳米尺度结构超滑迹象;2004年荷兰科学院院士弗伦肯(Joost Frenken)等首次实验证实了纳米尺度下结构超滑的存在。再之后,探索更大尺度结构超滑的实验似乎就陷入了“冻结”,因为包括弗伦肯在内的不少学者认为,甚至从理论上“证明”, 更大尺度结构超滑基本不现实。因此,当2012年郑泉水等在PRL报道微米尺度结构超滑现象时,引起了很大的惊叹。弗伦肯等2012年在《化学世界》上评论说,“我们之前认为这是不可能的”,“这是一个聪明的经过仔细设计的,且极具勇气的实验。该现象发生在介观尺度,立刻将这个现象的研究从学术兴趣转化到实际应用。”

随后,郑泉水和杨佳瑞、刘泽等又观察到了高速(25米/秒)的结构超滑,并与魏飞、张莹莹等合作,观察到了厘米长度的结构超滑。这些重要进展于2013年分别发表在PRL和《自然·纳米技术》杂志上。

故事到此,似乎该告一段落了?因为2017年度的国家科技奖只针对2013年和之前公开报道的成果。但正应了弗伦肯的预言,自2012年后,微米尺度结构超滑的发现立即触发了全球范围的应用研究的开始。在中国,为了鼓励郑泉水团队朝这个方向发展,科技部设立了关于超滑的第一个纳米重大研究计划,美籍华人企业家唐仲英先生给予了大笔捐款,北京市科委专项支持,清华海峡研究院给予了不少的帮助。今年9月,清华大学和深圳市设立了全球第2个超滑研究中心-深圳清华大学研究院超滑技术研究所。在美国,阿贡国家实验室2018年4月设立了全球第1个超滑研究中心。特别值得指出的是,2018年《自然》杂志邀请郑泉水等发表了题为“跨尺度的结构超滑和超低摩擦”的展望综述;《自然·材料》杂志报道了郑泉水和他的年轻同事(前博士生)马明副教授等实现了首次旋转稳定的结构超滑。因此,可以期待在不久的未来,结构超滑将有更大、更激动人心的故事产生。

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