近日，在北京市科委支持下，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)》上。

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，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。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(rèn)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，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。經(jīng)過近十年的努力，魏飛教授團隊在制備長達數(shù)厘米且無缺陷的碳納米管的制備方面取得了一系列突破，發(fā)展了單根碳納米管的納米顆粒標(biāo)記技術(shù)，這些工作為宏觀尺度超潤滑工作奠定基礎(chǔ)。在上述基礎(chǔ)上，魏飛團隊首先在光學(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。研究發(fā)現(xiàn)，雙壁碳納米管的管壁之間存在著超低的摩擦力，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。

這項工作被《自然—納米技術(shù)》雜志審稿人評價為里程碑式原創(chuàng)性工作，對于研究和控制摩擦力做出了重大的、創(chuàng)造性的貢獻，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)。