近日，清華大學(xué)化工系魏飛教授團隊與清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心、北京大學(xué)信息學(xué)院合作，在超潤滑領(lǐng)域取得重大突破，在世界上首次檢測到了大氣環(huán)境下厘米以上長度碳納米管管層間的超潤滑現(xiàn)象。所實現(xiàn)的超潤滑尺度比以前報道結(jié)果的最高值高出3個數(shù)量級，同時所得到的摩擦剪切強度比以前報道結(jié)果的最低值降低了4個數(shù)量級。相關(guān)成果以《Superlubricity in Centimetres-Long Double-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions》 （大氣環(huán)境下厘米級長度雙壁碳納米管上的超潤滑）為標題于2013年11月3日在線發(fā)表在國際納米領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然—納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上?！蹲匀?mdash;納米技術(shù)》還同期刊出了專題評論文章，邀請世界著名摩擦理論專家、以色列特拉維夫大學(xué)的Michael Urbakh教授對這一重大發(fā)現(xiàn)給予評論。文章的第一作者為清華大學(xué)化工系博士生張如范。

圖為雙壁碳納米管管壁之間存在超潤滑的示意圖，該圖表示：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(nèi)層從管中抽出。

摩擦現(xiàn)象一直是人類面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題之一。全世界約1/3至1/2的一次性能源由摩擦過程消耗；工業(yè)發(fā)達國家因摩擦磨損造成的損失高達GDP的5%-7%。在微觀尺度，由于材料比表面積增大，使得摩擦現(xiàn)象更加顯著。因此，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)系統(tǒng)尺寸縮小到微納米尺度時，界面摩擦成為制約器件性能和壽命的關(guān)鍵因素。解決摩擦磨損問題的根本途徑是實現(xiàn)固體界面之間的極低摩擦甚至零摩擦，即超潤滑。

超潤滑(superlubricity) 是20世紀90年代早期由日本學(xué)者平野元久(Motohisa Hirano)提出的，也稱結(jié)構(gòu)潤滑(structural lubricity)，它是指當(dāng)晶體表面以非公度形式接觸時，有可能出現(xiàn)界面摩擦和磨損幾乎為零的現(xiàn)象。過去二十年中所發(fā)現(xiàn)的超潤滑現(xiàn)象主要是在納米尺度和高真空條件下實現(xiàn)的，實現(xiàn)宏觀尺度上的超潤滑不僅要求固體表面具有超高的模量，而且要求在宏觀尺度上原子級平整，無缺陷與位錯，如此苛刻的條件使得人們普遍認為大尺度下幾乎不可能實現(xiàn)超潤滑。

碳納米管從結(jié)構(gòu)上看是由石墨烯卷曲而成，由于石墨烯層間只有微弱的范德華力，所以多壁碳納米管的管壁之間很容易發(fā)生相對滑動；另外，碳納米管的內(nèi)外管壁之間的手性結(jié)構(gòu)是相互獨立的，通常以非公度形式接觸，這為管壁之間的超潤滑提供了條件。然而，理論研究表明，當(dāng)碳納米管存在哪怕只有一個原子級別的缺陷時，其管壁間摩擦力就會急劇增大。因此，要想用碳納米管研究宏觀尺度的超潤滑，必須首先制備出宏觀長度且具有原子級完美結(jié)構(gòu)的碳納米管。經(jīng)過近十年的努力，魏飛教授團隊在碳納米管的制備方面取得了一系列突破，制備出了長達半米長的碳納米管，并且證明了碳納米管在長達數(shù)厘米的范圍內(nèi)沒有任何缺陷（相關(guān)工作曾多次發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials)、《美國化學(xué)會—納米》（ACS Nano）、《材料化學(xué)》(Chemistry of Materials)等國際知名材料期刊上），這為研究宏觀尺度超潤滑提供了理想材料。

為了方便對超長的碳納米管的操縱，該團隊還發(fā)展了單根碳納米管的納米顆粒標記技術(shù)，從而實現(xiàn)了光學(xué)環(huán)境及掃描電鏡下對大尺度單根碳納米管的定位與操縱（相關(guān)工作發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications, 2013, 4, 1727)和《納米尺度》(Nanoscale, 2013, 5, 6584)上），這為宏觀尺度超潤滑現(xiàn)象的觀察和測量提供了條件。

在上述基礎(chǔ)上，他們首先在光學(xué)顯微鏡下通過用微弱氣流吹動碳納米管的方法觀察到了碳納米管管壁之間快速相對運動的奇妙現(xiàn)象，進而在利用掃描電鏡下的微納米操縱平臺進行雙壁碳納米管內(nèi)層的可控抽出，并測量了管壁間的超低摩擦力。他們發(fā)現(xiàn)，雙壁碳納米管的管壁之間存在著超低的摩擦力（只有1~4 nN），并且這種摩擦力與碳納米管的長度沒有關(guān)系，即無論多長的碳納米管，其內(nèi)層都可以被輕易地抽出來。他們演示了厘米長度碳納米管（長徑比為107）的內(nèi)層抽出，比以前報道的實現(xiàn)超潤滑的尺度（約10微米）提高了至少3個數(shù)量級。另外，發(fā)生相對滑動的兩個表面之間的剪切強度是表征其摩擦力大小的重要參數(shù)，本研究工作中得到的碳納米管管壁之間的剪切強度只有2~3 Pa，比之前所測得的剪切強度最小值（0.04 Mpa）降低了至少4個數(shù)量級。

審稿人評價說：“這是一項有趣的、并且是激動人心的工作：首次從實驗手段上證明了大氣環(huán)境下的宏觀尺度超潤滑現(xiàn)象！這項工作以其里程碑式的新穎發(fā)現(xiàn)確定無疑地證明了宏觀尺度超潤滑的存在，我認為這是該工作最為重要和創(chuàng)造性的地方！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。我還想指出這項工作在發(fā)展實驗技術(shù)方面所做出的原創(chuàng)性的工作。我認為這項工作對于研究和控制摩擦力做出了重大的、創(chuàng)造性的貢獻；并且堅信，這項工作將會激發(fā)超潤滑研究領(lǐng)域越來越多的實驗研究和技術(shù)應(yīng)用”。

這項工作為下一代全碳電子器件構(gòu)筑、超潤滑機械開發(fā)以及超高速微納米機械、電子器件制備提供了基礎(chǔ)。

這項研究工作由清華大學(xué)化工系魏飛教授課題組牽頭，與清華微納米力學(xué)研究中心張瑩瑩副教授、鄭泉水教授和北京大學(xué)信息學(xué)院陳清教授課題組合作完成。國家自然科學(xué)基金委員會和國家重大研究發(fā)展計劃資助了這項研究。