近日，清華大學微納米力學中心（CNMM）主任鄭泉水教授主持的課題組在美國《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表文章（J. Yang et al., 110, 255504 (2013)）展示了一種理論概念“超潤滑”現象的可實用性，即在微米尺度和米每秒的宏觀速度下將摩擦降低至幾乎為0。該工作被美國物理學會（APS）新聞網站Physics重點報道。論文第一作者為清華大學微納米力學中心博士生楊佳瑞。

清華大學和特拉維夫大學的研究人員合作發現，原本僅限于學術領域的超潤滑現象可以讓微器件以90公里每小時的速度發生相對滑動，快如高速公路上的汽車。

沒有摩擦的世界是很難想象的。摩擦為鞋子和輪胎提供了向前驅動的抓地力。沒有摩擦，公路將會如冰面一樣滑。但是摩擦更會導致巨大的能量浪費。為了減少這種浪費，潤滑劑在從鉸鏈到汽車引擎等許多領域被廣泛應用，并且價格不菲。然而，盡管有潤滑技術，全球仍有約三分之一的用于運輸的燃料能源消耗在克服摩擦上，并沒有提供有效的功率。

當系統尺寸縮小到微芯片的大小時，情況就變得更糟。在微觀尺度，物體極高的表面積-體積比，使得摩擦這種表面現象變得十分顯著，進而大大阻礙了物體的運動。另一方面，由于尺度的原因，在微器件中加入潤滑劑是十分困難的。

該課題組之前曾報道過單晶石墨片在解理滑移后的自發回復原位的現象，簡稱自回復現象。

這種自回復現象來源于石墨片的解理面通常為轉動晶界，也就是說解理面上下層原子的晶格處于失配狀態。因此上下表面在發生相對滑移時受到的摩擦力幾乎為0。這種由晶格失配導致的消除摩擦的現象正是超潤滑的定義。

在最新的這項與以色列特拉維夫大學的摩擦理論專家Michael Urbakh的合作研究中，楊佳瑞基于激光刀口法建立了一套檢測石墨片自回復運動的設備，并成功的測量了其速度。Urbakh教授對此評價道：“我已經研究超潤滑的理論多年，在普通的光學顯微鏡下觀察到這種效應將該領域向前推進了一大步。”

實驗結果表明，一個邊長為3微米的方形石墨納米級薄片在自回復運動中可以達到25 m/s（90公里每小時）的滑動速度。有趣的是，這一最高速度是在將石墨片加熱到100攝氏度以上才能達到。研究人員對此現象的解釋是，溫度的升高增加了石墨片原子的振動，幫助它克服了由不可避免的界面缺陷導致的阻礙滑動的勢壘。

在這項工作之前，超潤滑的實驗只能在微米每秒的速度下進行，大致等同于蝸牛的爬行速度。而且這些實驗條件苛刻，要求超高真空以及納米級的接觸點。對此鄭泉水教授評論道：“在如此大的尺度下觀察到高速超潤滑，并且是在普通的大氣環境下，這為超潤滑概念提供了實用化的可能。”

未來可能的應用包括小型化的硬盤讀寫磁頭、用于無線通訊的高頻振蕩器以及其他依賴高速運動的微器件。