01摩擦对人类的影响有多大？

在人们生活中，摩擦随处可见。当行走在冰面或刚下过小雨的路面上，最好是迈小步，小心翼翼，以免滑倒（图1（a）），这是因为通常的鞋底与这些湿滑的路面只能产生较低的摩擦力，如果真的没有摩擦力或者摩擦力太小，人类便无法行走。当拖动一件笨重的家具时，需要花费九牛二虎之力以克服摩擦阻力移动家具，过程中也会因摩擦导致地板磨损（图1（b））。在寒冷的冬天，两个手掌相互间使劲搓几下，很快就会感觉手掌热起来了。进入中老年后，由于机体的自恢复功能减弱，膝关节的磨损将变得越来越严重，导致及肿痛，并难以恢复（图1（c）），因此，人到中年，一定要保护好膝关节，如注意减缓爬山之类带冲击性行走。以上选取生活中随手可拾的例子，目的是传递给读者一个概念，就是摩擦无处不在，并影响着人类生活的方方面面。

图1 随处可见的摩擦。（a）北极熊在低摩擦的冰面上滑到§；（b）摩擦使得推动笨重的家具变得困难，并导致磨损，用放大镜看，家具与地板的接触面实际上是粗糙的（见（b）中小图）§；（c）膝关节的磨损带来疼痛§。

人们很早就懂得利用摩擦解决问题。传说1万多年前，燧人氏发明了钻木取火（图2（a），通过摩擦生热取火），从而开启了华夏文明。而一些因摩擦带来的难题，也通过古人的经验得到了巧妙解决。

图2 （a）中国海南省的一些少数民族仍然保留着钻木取火的古老习俗§；（b）存在了4000多年的Djehoutyhotep墓壁展现古埃及文明对摩擦知识的应用

例如，600年前在建筑北京故宫时，重达100多吨的石块就是通过冰道从70 km之外的采矿场“滑”到故宫的[1]。古埃及人在没有任何机械辅助的情况下，如何将几十米之巨大的石雕像运送到沙漠中的金字塔附近的？对此，存在近4000年的Djehoutyhotep墓壁（图2（b））提供了重要线索：古埃及人将塑像放在木制沙舟上，由一群人拉着在沙地里滑行，而舟头所站之人，正不断将舟前的沙子淋湿，以降低摩擦[2]。

人类对摩擦的研究可追溯到近代科技兴起之前的文艺复兴时期，以达芬奇（1452—1519）为杰出代表。由于摩擦来源和机理极其复杂，使得摩擦研究成为一项长期的艰难挑战，至今依然十分活跃[3~15]。

摩擦及其引发的磨损，对当今世界范围内的能源、环境、技术和经济等层面有着巨大影响。例如，驱动汽车行驶的功率，约1/3~1/2用以克服各种摩擦[16]，包括发动机内、传动部件之间、车体与空气、轮胎与路面间的摩擦。摩擦还会造成机器零部件的磨损，形成污染，并导致系统的可靠性和使用寿命降低，甚至引发灾难。据统计[17]，全球约1/3的一次性能源浪费在摩擦过程中，约80%的机械零部件失效由于摩擦磨损造成，导致工业化国家经济损失高达GDP的5%～7%（若按中国2015年GDP约75万亿人民币元计算，摩擦造成的损失约合3.75万亿~5.25万亿人民币元）。此外，现代制造业的一个重要趋势就是精密化和小型化。如图3（a）所示，也许在不久的将来，会制造出一个极小的机器人清道夫，自如地进入人体的血管中清除血栓，或是准确地输运药物直达病灶。不幸的是，机器越小，则其单位体积的表面积则越大（图3（b）），摩擦磨损带来的影响也就越大（图3（c）[18]），这不仅消耗相对更多的能量，而且会导致这种微小型机器的寿命太短，无法得到实际应用。

图3 （a）血管中的微小机器人想象图§；（b）随着尺寸减小，单位体积表面积则越大§；（c）微米齿轮机构极易发生磨损产生碎屑而失效[18]。

总而言之，摩擦无时无刻都在影响着人类的生活，从古至今，人类已经习惯了利用或克服摩擦解决问题，并形成了“摩擦无处不在”的思维定势。很难想象当人处在“零”摩擦的世界时，能否像《镜中人》中林恩•罗克罗斯一样充满智慧地脱离困境？对于从事与摩擦相关的研究者和发明家来讲，如能突破这个思维定势，在“零”摩擦的世界里大胆地思考和尝试以前的“不可能”，定能产生不少很有意义的创新。

02超润滑：现象、特征和发展

2.1 纳米摩擦学与超润滑概念

如图1（b）的插图所示，肉眼看上去平整的固体表面在放大镜下往往呈现出凹凸不平。通常的两个固体表面之间的摩擦和磨损的来源，主要就是这些微观上的粗糙性：压得越紧，则真实接触区和咬合程度就越大，从而导致摩擦越大、磨损越大。这个现象可由Amontons-Coulumb定律很好地描述，即摩擦力Ff与法向力FN（图1（b））成正比：Ff=μFN。多数固体接触的摩擦系数μ介于0.1~0.5之间；在接触区添加了液体润滑剂后，可将摩擦系数降低到0.05~0.1；冰刀与冰面之间的摩擦系数约0.01（图4）。

图4 摩擦现象的分类特征。

理想情况是，两个绝对或数学意义上的光滑表面之间接触摩擦为零，但真实物理世界中并没有这样的光滑表面。自然界最光滑的固体表面是晶面，其中，原子在晶面内呈周期性排列，局部的高低起伏仅约0.1 nm（1 nm=10-9m）。

例如，石墨是最常用的固体润滑材料，铅笔芯便是利用了这个特性，书写时滑出了许许多多微米大小的石墨小片（图5（a）[19]），每片由许多单原子厚度层重叠构成（图5（b）），而每层则由碳原子按正六边形角点排布的方式构成一个称作石墨烯的二维晶体（图5（c）），其中，两个相距0.142nm的邻近碳原子之间由自然界一种特别强的化学键，即碳-碳键连接。石墨烯不仅具有已知最高的面内抗拉伸刚度和强度，且面内碳原子与面外的原子相互作用不是化学键，而是极弱的物理相互作用，即范德华（van der Waals）力。石墨的[0001]晶面就是一张石墨烯。于是，人们自然要问两个晶面之间的接触摩擦、磨损行为如何？纳米与材料科学技术在最近20~30年来的蓬勃发展，使得这类问题，逐渐发展成为一个全新的研究领域，即纳米摩擦学[20]。

图5 （a）用扫描隧道显微镜可看到铅笔笔迹的黑色主要由数不清的微米石墨薄片堆叠而成（蓝色框框中的图像）[19]；（b）石墨层状结构§；（c）石墨烯蜂窝状晶格结构§

1990年，日本科学家M.Hirano（平野元久）等[21, 22]根据纳米摩擦学的Frenkel-Kontorova模型，从理论上预测两个晶面非公度接触时的静摩擦力有可能为零（或几乎为零），并把这一现象命名为超润滑（superlubricity）。

这里简要介绍一下公度性的概念：当两个晶面的晶格常数和取向完全匹配时（图6（a）、（b）），称这两个晶面是公度的；否则为非公度（图6（c）、（d）），这时沿滑移方向的晶格常数的比值为无理数。例如，两片石墨烯从公度接触出发，相对旋转0°~60°之间的任何一个角度，形成的接触就是非公度的（图6（d））。

为什么这样接触的摩擦为“零”呢？可用鸡蛋售卖采用的蛋盒来形象地理解晶格公度性和表面摩擦之间的联系，两个蛋盒相当于两个具有相同晶格常数的相互作用势能表面（每一个装鸡蛋的坑代表一个晶格），当两个蛋盒取向一致时，它们刚好卡住（公度），如图6（a）所示，根据日常经验可知，此时要把两个蛋盒沿侧向拉开需要花费很大力气（即界面公度时摩擦力巨大），同时将难免损坏蛋盒（对应于磨损）。而当将上面的蛋盒旋转一个角度之后，两个蛋盒就无法卡住了（非公度），如图6（c）所示，知道此时只需要很小的力就能拉动上面的蛋盒，即界面非公度时摩擦力几乎为零，并且不容易损坏。图6（e）~（f）给出的是两个接触晶面间原子相互作用示意图，图中周期性实线代表的是下部晶面原子对上部晶面原子（小球）的势能面，小箭头示意的是这些小球受到的力的方向，弹簧表示的是小球间的弹性相互作用。显然，公度时小球受力的大小和方向完全一致，因此总的滑动阻力（Ff）与接触面积成正比；而非公度时受力的大小和方向随机，从而相互抵消，总的滑移阻力Ff为“零”且与接触面积无关。

图6 （a）§、（b）公度；（c）§、（d）非公度，（e）、（f）公度和非公度晶格的滑移势垒及受力情况（（b）、（d）~（f）引自文献[23]）

考虑到1986年发现了令人兴奋的高温超导（superconductivity）现象，Hirano等1990年命名超润滑时是否有比照超导之意？这一点尚缺考证，但实际情况就是超润滑引发了很多研究，同时产生了不少争议。这里首先要澄清一点：物理上是无法实现严格意义上的接触零摩擦的，因为这至少需要一个前提，就是晶面乃绝对的刚性（也就是说，图6（f）中的弹簧刚度无限大），而真实上没有绝对刚性的材料，即材料受力后总会发生变形。因此，当晶面相对滑移时，接触面两侧原子之间有了变动的相互受力，导致晶面内原子发生振动，从而产生声子，由此导致能量耗散或摩擦。当然，如果晶面内原子间具有极强的化学键（如碳-碳键），而晶面之间的原子间是很弱的范德华相互作用，则随着滑移速度越来越小，摩擦的确应该趋近于零。石墨、二氧化钼等不少二维层状晶体材料，就具有满足上述要求的材料特性[24]。

2.2 超润滑的实验验证：两个突破

通过上面的讨论，读者或许已经能够归纳出两石墨片[0001]晶面接触超润滑的一个基本特征，即公度或定向一致接触时摩擦很大，而非公度（相对公度作一旋转）时摩擦变得极小。然而，尽管长期以来，多个研究组进行了尝试[25, 26]，却未能实验上观察到这个基本特征，从而也就未能证实超润滑的存在，只发现了摩擦随定向变化的各向异性（即非公度时摩擦力有所减小，见图7（a））。

2004年，荷兰科学家J. Frenken的研究组首次实验证实了超润滑的存在[27]。

如图7（b）所示，他们首先实验观察到了石墨片[0001]晶面的基本特征：通过测量粘在探针上的一个几纳米大小（共约100个碳原子）的石墨片在高定向热解石墨（highly oriented pyrolytic graphite，HOPG）[0001]晶面滑动时的摩擦力，观察到对石墨片相对于HOPG基底的大部分取向而言，摩擦力极低（< 15 pN），只有在对应于公度接触的特定几个角度上（0°和60°等），才呈现高摩擦状态（~250 pN），见图7（b）。其次，他们用一个扩展的Prandtl-Tomlinson模型（图7（c））从理论上解释了观察到的有关现象确实是超润滑的明显证据。

图7 （a）云母表面摩擦力呈现60°对称性下的各项异性[25]，（b）首次观察到石墨之间的摩擦具有超润滑所需的基本特征[27]（黑色点是实验数据，曲线是广义PT模型拟合的结），（c）广义PT模型示意图[[28]，其中的石墨片由24个碳原子组成

然而，纳米尺度的接触面与实际应用需求的尺度相比，实在是太小了。且不说宏观尺度接触面，即使是最精密机械手表中最细小轴承的接触面，尺度也达几百微米。微米以上的尺度能否实现超润滑？这是一个超润滑能否走向真正应用的关键。现实是残酷的，2004年超润滑实验突破带来的超润滑研究的兴奋，数年之后开始渐渐消沉，有关的理论与实验的研究报道逐渐减少，因为直到2011年，可观察到的超润滑还局限在纳米尺度、高真空环境和低速条件下（10μm/s）[29]。

面对上述困境出现了几种不同的观点。以2004年实现了超润滑突破的J.Frenken为代表的一种观点认为[27, 30]，超润滑无法在更大的尺度实现，原因在于晶面内的变形将导致局部公度的出现，从而使得超润滑性能丧失。上述观点有不少认同者，如有人通过理论上的定性研究来说明随着尺度的加大超润滑将丧失[31]。另一个佐证是，J. Frenken从2010年开始，领衔了一个（需要得到多人支持和参与的）欧共体的大研究项目[32]，目的是用许许多多的纳米尺度的超润滑接触“脚”来等效地实现大尺度超润滑。

为避开上述困境，科学家们另辟蹊径，针对二硫化钼[26]，类金刚石[6, 33]和石墨烯涂层[34]、水基液体润滑[35~38]等材料体系，相续实验观察到了以摩擦系数为0.001量级或以下为特征的所谓超低摩擦（Ultralow Friction）现象。中国学者对这个方向的发展做出了重要贡献，特别是清华大学摩擦学国家重点实验室的雒建斌院士课题组发现了多个水基液体（莼菜粘液和磷酸溶剂等）超低摩擦体系[37, 39]、中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室的刘维民院士和张俊彦课题组发现了无定型、富勒烯碳膜固体超低摩擦体系[40, 41]，见图8。于是，有学者建议将超低摩擦定义为超润滑[17, 42]，而把Hirano等最初提出的概念称为结构润滑（Structural Lubricity）。这样一个重新定义曾随着专辑《Superlubricity》在2007年的发表[17]而渐渐流行开来了。但为尊重原创且避免混淆，本文仍然采用超润滑的最初概念，以区别超低摩擦现象。在后面的第2.3节，我们将更详细地回答超润滑与超低摩擦之间有什么不同。

图8 超低摩擦现象（摩擦系数为0.001量级或更低）（a）测量莼菜黏液摩擦系数的实验装置示意图[37]，图中黄色区域为锁死区域；（b）测量结果：横轴为加载时间，左边纵轴表示系统正压力（图中黑色实线），右边纵轴为系统摩擦系数（图中黑色方块），从图（b）可看出随着时间增加，压力增大，系统摩擦系数反而减小，最终降到0.5%；（c）氟掺杂氢化碳膜的透射电子显微镜图像[37]；（d）两种不同碳膜摩擦系数随时间的变化，显然氟掺杂氢化碳膜具有更好的摩擦性能。

清华大学郑泉水研究团队持另外一种观点，即相信大尺度超润滑不仅可以实现，而且可能尺度不限。他们首先总结出了前人超润滑实验失败的一个共同点：将两个本来分开的晶面通过摆放在一起的方式来实现接触。由于暴露于空气（哪怕是在超净室）中的晶面上难免有原子、分子、纳米颗粒等吸附物，因此这样形成的接触不可能绝对干净（图9（a））。再根据美国学者M.Robbins和M. Mueser等所作出的非绝对干净的接触其静摩擦力不为零[43, 44]的理论预测，郑泉水团队相信以往大尺度超润滑实验失败的一个共同原因是非绝对干净的接触。如何才能实现大面积“绝对”干净接触呢，这是一个十分困难的问题。另外一个难题是，即使接触区内发生了“零”摩擦，由于接触区边缘吸附或变形等多种因素（图9（b））可导致摩擦，故单靠检测摩擦力，很难区隔这些摩擦究竟发生接触区内，还是源于边缘。

图9 （a）夹层分子[45]以及（b）影响超润滑的因素[23]的示意图。

2012年，刘泽和郑泉水等[46]在国际上率先观察到了微米尺度超润滑现象（图10（a）~（j））。他们利用HOPG，通过一个设计巧妙的实验（即后面将谈到的石墨岛“自缩回运动”现象[19]），发现摩擦力明显具有超润滑的基本特征，即非公度定向（图10（j）中阴影对应的角度）时摩擦极小，而每旋转约60°度时（图10（a）~（j）中蓝色箭头方向）摩擦力很大，并得到非公度时的剪切强度上限仅为0.04 MPa，而公度时的剪切强度比非公度的剪切强度大了4个量级，约为140MPa[47]。由此可断定这是一个超润滑现象。该超润滑发生在大气环境下，且最大接触面尺度达10 μm×10 μm[46]，比前人报道的结果大了7个量级。超润滑的奠基者M. Hirano和著名纳米摩擦学家M. Urbakh等[48]认为这项工作“是超润滑现象超越纳米尺度所迈出的一大步”；“可推动超润滑领域和更广泛意义上的摩擦研究领域的突破性进展”；“开辟了制备石墨润滑剂来提高润滑性能的新方向。”

图10 超越纳米尺度超润滑实验现象（a）~（i）表示石墨片不同的转动方向，图中蓝色箭头指示的方向代表“锁死”方向，箭头始终处于石墨片的同一边，图中虚线所示的正方形代表石墨平台；（j）（a）~（i）所示的锁死方向，很明显地显示了60°对称性，在该图中，0°的刻度标记和（a）图中箭头方向相同，所以这个60°对称性可以和实验图片的转动方向直接比较。通过实验估计得出非公度状态下石墨的层间剪切强度的上限为0.04 MPa，公度时为140 MPa[47]。

紧接着，杨佳瑞和郑泉水等[49]发明了一套激光刀口检测设备（图11（a）），采用该设备和高定向石墨，实验发现了高速（可达25 m/s）超润滑现象（图11（b））。

图11 （a）激光刀口法的实验装置以及激光刀口法的示意图，插图为放大的光镜下石墨岛的自回复图片[49]，（b）最大自回复速度和温度的关系[49]。

2.3 超滑润滑的独特属性

在之后的几年间，国内外从事超润滑研究的课题组具备了更多的实验方法和理论知识，来理解超润滑的本质及其与超低摩擦的不同。以下是郑泉水课题组通过多年研究总结的对超润滑独特属性的最新认识。

特征1：发生在两片非公度且绝对干净接触的诸如石墨烯之类的只有物理相互作用的晶面之间的摩擦，可随滑移速度降低而趋向于零。将这个现象称作为“零”摩擦。

特征2：“零”摩擦与接触面积无关，即可以实现不受尺度限制的“零”摩擦；且“零”摩擦可以在一定的正压力范围得到保持。

特征3：“零”摩擦带来两个独一无二、特别重要的特性，首先是零磨损，其次是启动停止摩擦为“零”。

特征4：对于有限尺度的超润滑，摩擦主要发生在接触区边缘，来源于滑移过程中对表面吸附物（如水、碳氢化合物、微纳米颗粒）的清除、边缘原子的悬键及其拖带分子团的振动耗散等。

超润滑的上述特征不仅有别于通常的摩擦行为，也有别于超低摩擦行为。与超润滑相对照，超低摩擦虽然摩擦系数极小（0.001量级及以下），但还是有一定的值，物理本质上不能趋向于零；超低摩擦也不具备特征2和3。因此，按照上述特征，本文在图4中对摩擦类型作了一个分类。当然，要完全证实或证伪超润滑的上述基本特征还需假以时日。在下面的第2.4节中，我们将归纳得于判断超润滑具有上述特殊属性的相关实验观察和理论结果。

2.4 超润滑特征的实验和理论基础

关于特征1，因涉及面较广，故需较多的篇幅来介绍。郑泉水的课题组[44,46]是如何首次实现了微米尺度超润滑的呢？这背后有一个奇妙的现象。想象一下，把一块砖头交错叠放在另外一块同样大小的砖头上，上面的这块砖头会不会自发地（完全没有外力作用）通过滑移最后完全重合地叠在下面的砖头上呢。经验告诉我们这是不会发生的，因为有摩擦，即使斜放，当斜放的角度不大时上述重合情形也不会发生。然而，郑泉水和江博等[19]对于两个“砖头”是几微米大小的单晶石墨片、以非公度形式在[0001]晶面接触的系统，却实验观察到了自缩回运动（self-retracting motion，SRM），直到上下石墨片完全叠合（图12（e）、（f））。这是对晶体材料观察到SRM现象的首例，虽然曾经在多壁碳纳米管发现过类似的SRM现象[50, 51]。

图12 （a），（b）石墨自回缩示意图，其所示系统亦称为石墨岛；（c）、（d） SEM下观察到的石墨岛的自回缩现象；（e）、（f）光镜下观察到的自回缩现象[46]

现在解释SRM现象为什么会发生。如图12（a）所示，与完全叠合的情形相比，滑移了距离x的上下两片石墨系统的总的（可随x变化的）界面能为U=2γ0001Bx+σB(L-x)，其中，γ0001为[0001]晶面与空气的界面能、σ为非公度接触区的界面能、L和B分别为石墨块沿滑移方向的长度和垂直滑移方向的宽度。于是，滑开的石墨片将受到如下驱动自缩回运动的力Fre=dU/dx=ГB，其中，Г=2γ0001-σ恰好是石墨烯的解理能。顺带说一下，Г的值直到2015年，利用了SRM现象及超润滑，才由瑞士的E.Koren课题组[4]和郑泉水课题组[7]独立地实现了直接实验测定。对于文献[19]实验用到的典型尺度B=3μm，因为发生了SRM现象，抵抗自缩回运动的摩擦力必然小于Fre≈1 μN。实际测得的摩擦力远小于1 μN[7]。

必须指出的是，图12中错位接触的石墨片并非是由分开的两片石墨叠在一起的，而是由一个更厚的HOPG通过剪切滑移所形成。电子背散射衍射（Electron BackScattered Diffraction，EBSD）的测量结果[46]和SRM现象表明，实验所用的HOPG实际上是由许许多多厚度约为几到几十纳米、大小为几到几十微米的单晶石墨片所构成的多晶体，就像是纸片般极薄的“片石”所堆垒的“石墙”[46]；两个相邻的片状石墨单晶的接触是非公度的。因此，对于几微米大小的HOPG而言，将有一定概率，存在完全跨越整个石墨块的非公度接触面，对这个面做剪切并释放后，就出现了前述的SRM（自缩回运动）现象[19]。

利用SRM现象发现超润滑现象的巧妙之处就在于，滑开的过程中，接触面是HOPG块体材料中的天然[0001]晶界面，因此是“绝对”干净的。进一步，虽然滑开后所暴露在空气中的[0001]晶面上难免有吸附物，但在自缩回运动的过程中，这些吸附物统统被晶面的边缘所刮扫，进入不到被回复的晶界之间。刘泽和郑泉水等[52]发现的这个刮扫效应，被称为纳米擦子效应。课题组待发表的最新实验结果表明，即使反复进行了百万量级次数的滑开-自缩回运动的接触面，还始终是“绝对”干净，从而实现了微米尺度、大气环境下的超润滑。

关于特征2，背后也有一个有趣且带启发性的故事。清华大学微纳米力学与多学科交叉研究中心（简称CNMM）的魏飞教授（化工系）和张莹莹副教授（化学系）生长了宏观长度（几十厘米，目前还是世界上最长）的几乎无缺陷的连续双壁碳纳米管[53]。他们还发明了一个用光学显微镜就可以直接 “看到”碳纳米管的方法[54]，就是沿着碳纳米管熏上一连串的微米颗粒（图13（a），（d））。由此观察到了一个奇怪现象：将一根数厘米长的双壁碳纳米管固定两端并悬空中段后，用风去吹它，发现吹出了一段碳（图13（b），（e）），且中间出现一段空白。把风撤去后，碳纳米管又回复的直线形式，中间的空白消失了（图13（c），（f））。

图13 光学显微镜下看到碳管图像。（a）~（c）示意图，（d）~（f）实验图片，分别表示用气流吹碳管前后碳管形状的变化

在CNMM的一次内部报告会上，他们介绍了上述奇怪的现象。考虑到双壁碳纳米管管壁之间是天然绝对干净的，且绝大多数是非公度接触，郑泉水提出这很可能是一个超润滑效应，引起了魏飞、张莹莹及其学生张如范的兴趣，随后开展了相关研究。这样一个交叉合作导致了厘米长度超润滑现象的发现[9]。这个发现将超润滑的尺度从10m扩大到了厘米，进一步支持了特征2。

关于特征3，C.C. Vu和郑泉水等[55]首次获得了超润滑界面的摩擦力与系统外加正压力无关的实验证据。利用原子力显微镜（AFM）所组装的实验平台和HOPG的SRM现象（图14（a）），测得摩擦系数随机地分布在-4.55×10-5~9.69×10-5之间，实际上就是与正压力无关。实验中加载到了所用AFM的特殊探针最大许可压力（16μN，对应压强1.7MPa），今后需要构建新的实验方法和搭造新的设备，以最终发现超润滑失效的临界压力。关于无磨损，郑泉水课题组一项待发表的实验结果表明，对石墨超润滑界面进行近千万次数的来回滑移，没有观察到磨损。

图14 实验结果表明，超润滑状态下石墨岛滑移摩擦力在一定正压力N范围内与N无关[55]。（a）实验设置示意图，（b）五个样品测得的Ffr-N关系。

关于特征4的研究极其丰富，且有越来越多的肯定性实验结果。第一类支持迹象是，在250°C范围内升温，可以将超润滑下的摩擦显著地降低。图11（b）给出了杨佳瑞和郑泉水等[49]测得的最大SRM速度Vm与温度的关系：室温时，Vm在亚毫米/秒量级，意味着这时的边缘摩擦接近自缩回力F=ΓB；温度在200~230°C时，最大SRM速度（约25m/s）接近无摩擦时的理论值。可见，引起边缘摩擦的主要因素很有可能是吸附在边缘的水分子、碳氢化合物，因为在升温过程中，这些吸附物会从边缘脱吸附，所以摩擦力会降低。如图15所示，王稳和郑泉水等[7]所实验发现的类似的温度对摩擦影响，揭示了滑移过程中由摩擦引起的能量耗散，随温度的升高迅速降低至零的趋势。

图15 摩擦力-位移曲线[[7]。红线为往前滑动，蓝色虚线为往回滑动，滑开-回复的力-位移闭环的面积表征着此过程中的能量耗散（见图（b）），将其除以滑动距离w就得到滑开-回复过程中的平均摩擦力。实验结果表明，随着温度的升高，平均摩擦力大幅降低。同时边缘启动力（图中尖峰）也随之降低

第2类迹象是超润滑下的尺度效应。Dietzel和A.Schirmeisen等[56]在超高真空环境下研究了纳米尺度锑金属颗粒与高定向热解石墨（HOPG）[0001]表面的摩擦力与接触面积的依赖关系。实验结果表明当锑金属颗粒和HOPG之间没有夹层分子及夹层颗粒且它们之间的接触面积小于90000 nm2时摩擦力不依赖于接触面积；反之，当有夹层粒子时摩擦力和接触面积成正比（见图16）。此后该课题组进一步实验发现[57]，当颗粒为无定型时摩擦力线性依赖于接触面积的平方根，即只与接触的边长有关，当颗粒为金晶体时，摩擦力与面积的依赖较复杂，跟晶体的形状及取向相关。由于接触区的边界长度正比于接触区面积，故上述结果间接证明了超润滑下摩擦的主要来源于接触区边界。

图16 金属颗粒在HOPG表面摩擦力的尺度依赖关系（引自文献[58]）。

特别需要指出的是，以AFM和纳米尺度的针尖接触为背景的纳米摩擦学实验与理论研究，为理解超润滑接触区边缘的摩擦来源，提供了丰富的信息，并大大增进了有关理解，这是因为纳米接触区边缘所占比重特别大，因此可以显著地放大边缘摩擦的效应。实验方面，李群仰和R. Carpick等[12, 59, 60]研究了AFM针尖和石墨烯界面纳米接触的摩擦行为，发现石墨烯的面外变形会产生显著的摩擦，凸显边缘处的摩擦来源有局部变形的贡献。E. Meyer和M. Urbakh[61]关于单分子摩擦的研究表明，表面边缘分子化学基团构成了超润滑时摩擦的另外一个重要来源。E. Tosatti等[8, 62]通过研究稀有气体原子在金属表面的摩擦行为发现边缘钉扎效应是破坏界面超润滑的一个不可忽视的因素。

理论方面，W. K. Kim等[63]的模拟结果发现，超润滑状态是否能够保持取决于相对滑移表面的面内相互作用强度和界面剪切强度的相对比值，当面内较软，界面间相互作用强度较强时，超润滑状态会消失。A. Fasolino等[64]的分子动力学模拟表明对于非公度接触的纳米尺度的石墨烯片，摩擦力为零的状态只适合于一定范围内的正压力，当正压力超过约0.6nN/atom（对应于压强24 GPa）时，边缘开始起皱，粘-滑（stick-slip）现象出现，摩擦力产生。M.Urbakh等[65]和A. Fasolino等[66]通过理论研究表明在高速和高温状态下，纳米尺度的超润滑状态会被压制。而马明和M.Urbakh等[67]得到了准一维材料超润滑临界尺度的解析公式，其理论预测与实验吻合良好[9]。最近，欧阳稳根、马明、郑泉水和M.Urbakh[68]提出了利用层状异质结构压制面外变形从而获得超低摩擦的方法，为实现大尺度超润滑提供了新的思路。

03超润滑的应用前景

近几年来超润滑领域所取得的突破性进展和对超润滑认识的迅速深入，为超润滑从实验室研究走向技术创新应用打开了大门，为感兴趣的年轻学子、发明家和创新技术投资者提供了一次重要机遇。为了加速对超润滑机理的认识、增强中国在超润滑研究设备方面的开发，科技部于2013年设立了由郑泉水教授领衔的国家重点基础研究发展计划（“973”计划项目）：“纳米界面超润滑检测技术与机理研究”。2015年，在北京召开了由雒建斌、郑泉水和M. Urbakh担任主席，全球20余位超润滑/超低摩擦领域的顶尖专家参加的首届超润滑国际研讨会议。下面简要介绍超润滑在硬盘技术、太空探测、精密制造等领域得的几个潜在重要应用，抛砖引玉，以期引发更多的技术创新设想和合作可能。

3.1 超润滑硬盘技术：从飞行到滑行

随着互联网技术的高速发展，近年来人类社会进入了大数据和云存储的时代。如今，人们将数据不仅仅保存在个人具有局限性的存储设备上，也越来越多地将数据上传于“云”端——一个看似“无限大”的数据存储设备中，从而促使全球数据存储量呈现爆炸式增长。相对于以小、快为特色的固态硬盘（SSD），传统的机械硬盘（HDD，图17（a））具有存储量大、数据存储安全可靠、和性价比高的优势，在云存储的存储方式中占据绝对的支配地位。且云存储的出现，对HDD产生了巨大的、甚至是“无限”增长的需求。然而，HDD却长期陷入了如何进一步提高存储量和读写速度的技术瓶颈。

图17 （a）机械硬盘HDD实物图§，（b）机械硬盘读写结构示意图§

该技术瓶颈来自于HDD现有的读写磁头模式。磁头读写数据的原理，是通过磁头与存储数据的磁介质（即磁盘）之间的磁感应。欲提高存储量，一方面要提高磁介质的磁畴密度，另一方面需要减少磁头与磁盘的间隙距离（H）。

为了读写数据，磁头需要移动到不同的磁盘区域；为了避免磁头与磁盘之间发生摩擦和磨损，磁头在工作时悬浮在高速旋转的盘片上，悬浮的力量来自于盘片旋转带动的气流。现有磁头与磁盘的间隙距离H由3部分组成（图17（b））：保护磁盘不受腐蚀和磨损的类金刚石（DLC）薄膜厚度HDLC、该薄膜上的润滑剂薄膜厚度Hlub和保护磁头的DLC薄膜与润滑剂薄膜之间的空气层厚度Hair。

现在的主流大品牌硬盘飞行高度Hfly=Hair+Hlub已经低达2～6 nm，为了实现这一高度，采用了极其精密的机械和控制系统。如何进一步减低Hfly已经变得十分困难和昂贵了。此外，为了避免启停静摩擦，读写头需不停地移进和移出磁盘表面，导致采用更加复杂的机械结构，限制了读写速度和进一步小型化。

因此，降低H早已成为了提升HDD整体容量的最重要参数[69]。研究表明，HDD磁头磁盘间隙H每减小0.3～0.5 nm，存储数据信号的错误率将会降低1倍[70]；若HDD要实现从现在的1 Tbit/in2提升到10 Tbit/in2，磁头与磁盘的距离H要降低至2 nm[71]。由于DLC极难做到2nm以下，这意味着磁头与磁盘之间的距离需要十分接近，达到直接相互接触的距离，因此只有接触式读写（即Hfly=0）才能实现这样的目标。显然，磁头磁盘间的摩擦与磨损将会成为制约接触式读写技术实现的核心挑战。

在2010和2014年郑泉水团队申请的两项国家发明专利[72, 73]中，提出了两类超润滑机械硬盘技术。

第1类，将磁头的DLC薄膜改为石墨烯，取消润滑层和空气层，通过石墨烯与磁盘上的DLC层直接接触的超润滑，来实现Hfly=0或H≈2 nm的磁头与磁盘之间的运动和数据读写。

第2类，进一步将磁介质上面的DLC层用石墨烯或其他二维晶体材料所替代，可将H进一步降低到1nm以下。若超润滑接触式硬盘技术得以实现，则可在极少变动现有HDD技术的前提下，将现有储密度提高10～15倍。目前，郑泉水团队在唐仲英基金会（中国）和北京市科委的资助下，通过与以色列特拉维夫大学M. Urbakh教授、日本关西大学Norio Tagawa教授的研究组、以色列发明家Gleb Zilberstein先生等合作，正在进行有关技术的开发研究，同时受到世界上最大的硬盘技术公司Western Digital的密切关注。

3.2 超润滑助推太空技术

航天器如卫星、空间站所工作的太空环境有三大特色：微重力、超低温和近真空。微重力导致摩擦成为空间机械部件运动需要克服的主要阻力来源之一；零下一两百度的超低温不但大幅增加了金属间的摩擦系数[74]，而且使液体润滑难以使用。以上几个因素共同导致太空中摩擦问题极其显著，因此航天器渴望新的减摩技术。超润滑提供了一种可能的技术途径，特别是太空的近真空环境正好契合实现超润滑所需“绝对”干净接触的理想场所。下面以星载大型可展天线为例，说明超润滑可能带来的变革。

因为天线收发和分辨电磁信号的能力在理论上与其口径的平方成正比[75]，故此大型星载天线在高分辨率对地观测、灾难定向救援、深空探测、空间信息安全等领域均有重要应用，近年来在国内外受到高度重视[76, 77]。这类天线是目前世界上单位质量最昂贵的产品之一，只有几百公斤重，造价却与最先进的重14吨的F35战斗机同量级。其尺寸巨大，当前最大口径约15 m，下一代的目标约在30 m；天线在发射阶段须折叠后方能储存于火箭整流罩内，入轨后由可展机构展至工作状态[76]。

目前最前沿的一类大型星载天线是环形网状可展天线[78]（图18（a）），最早由美国Astromesh公司研发，收拢口径不到2 m，展开可达12 m。其展开机制是电机收绳（图18（b）、（c）），绳索过滑轮后将展开所需力传递到各活动关节处。摩擦导致滑轮两侧绳索张力存在比例衰减现象[79]，多次过滑轮后张力幂次衰减以致远端有效驱动力大幅衰减，难以实现很大尺度的展开。此外，受到重量和升空时体积的限制，也不能通过在机构各关节处安置大量马达来克服超大尺度（如百米）展开遇到的摩擦阻力问题，而超润滑材料与技术的应用则可突破这个瓶颈：如果能够在每个滚轮轴上都实现超润滑，则原则上可以通过绳索和电机展开超大口径的天线，巨幅提高天线分辨率。

图18 大型环形网状可展开天线[78]。（a）天线总体示意图，（b）天线展开示意图，（c）单跨展开原理图

航天工程中，类似的需要超润滑材料与技术的重要问题还有很多。例如，飞轮储能式不间断电源、飞轮式控制力矩陀螺、太阳帆板驱动机构和空间相机等各种空间活动机构，它们是航天器储供能、姿态控制、有效载荷等分系统的核心部件，其寿命将直接影响航天器的整体寿命。鉴于上述情况，国家高度重视超润滑/超低摩擦在航天技术中的应用。前不久，中国航天科技集团公司五院502所张激扬牵头申报的国家重点基础研究发展计划（“973”计划）项目成功立项，该项目以解决空间活动部件的长寿命问题为目标，重点开展超润滑/超低摩擦技术空间应用的基础理论和应用方法研究。

清华大学超润滑研究团队有着高度的意愿参与航天技术中超润滑的应用研究，希望通过多方合作，为世界深空科学和中国航天技术的发展作出独到的贡献。

3.3 精密制造和微小器件：超润滑时代

中国是制造大国，但还不能称为制造强国。举例说明中国作为制造大国与制造强国的一个主要差距。据中国海关信息，中国2015年6月出口金属加工机床83万台，总价2.5亿美元，同期进口近1万台，总价7.8亿美元。进口与出口单台机床的平均价之比，相差高达惊人的200多倍。而机床的精度直接决定了加工产品的精度。因此，如果不能自主地生产出世界上顶尖高精度机床，便无法称得上真正意义上的制造强国。

为什么大量出口的机床卖不出好价格，还需要花钱高价进口？关键就是加工精度，其中一个核心要素是导轨的定位精度。

图19是一个典型的导轨照片及其工作示意图。由于导轨上用来定位的滑块启动时需克服的静摩擦力大于滑动摩擦力，而机械系统的刚度不能无限大，因此滑块就会产生周期性的跳跃与停顿间隔的爬行现象，如图19所示。爬行现象使得机床的伺服系统无法准确地控制装载工件或刀具的滑块运动到指定的位置[80]，由此就会造成工件的尺寸和形状误差。进一步，导轨运行一段时间后，摩擦带来的磨损导致导轨的表面恶化及配合精度下降，从而带来更严重的加工误差。

图19 导轨与机床加工精度。（a）一个典型的导轨照片§，（b）机床导轨定位误差带来加工工件的尺寸误差，（c）摩擦带来的导轨爬行运动的简化模型[80]，（d）导轨爬行时驱动件位移和工作台实际位移的相对误差[80]

另外一个例子说明超润滑对微小器件可能有更加关键的影响。如上所述，由于摩擦的影响，限制了机械滑移式导轨的定位精度，使其一般在微米以上。通常要实现微米以下的高精度定位，需要使用压电陶瓷之类的材料。压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相连续地转换的可变形材料。以在纳米科学与技术研究中的关键设备之一——原子力显微镜为例，控制施加在压电陶瓷两端的电压就可以使压电陶瓷产生应变，从而实现精度高达亚纳米（0.1 nm）级别的位移分辨率。对于定位装置而言，位移范围（或行程）和位移分辨率（或精度）同样重要。压电陶瓷虽然分辨率很高，但其位移范围却很小。由于压电陶瓷的极限应变仅为10-3量级，因此要实现毫米级的位移范围，就需用米级大小的压电陶瓷。可见，压电陶瓷具有一个明显短板，就是在小型化的条件下无法直接实现相对较大的位移范围。采用悬臂梁之类的变形式结构具有类似的问题，一般难以达到与构件尺度相近的位移。而对于一些微型传感器与执行器而言，需要在自身微型化的同时达到大的位移范围，例如大量程的微型位移传感器、用于纳米材料力学性能测试的微型拉伸器等。

目前还没有其他方法来突破自身微型化的同时达到大的位移范围的技术瓶颈，而超润滑为实现运动器件在自身微型化同时保持大范围位移的功能提供了可能性。原因是，滑移模式所形成的位移可达到与样品尺度同样的量级，例如本身尺寸为5 μm的石墨微结构[19]可以在超润滑的状态下滑移超过3 μm的范围；其次是，超润滑的启动停止“零”摩擦特性。

下面以一个林立和郑泉水等[81]2016年申请的一项高精度位移传感器专利技术为例，来更具体地解释有关概念。传统的电容位移传感器一般采用空气间隙，此时空气湿度的波动和极板间隙的抖动都会给测量带来显著误差。如果采用一般的固体介质，启停摩擦和长时间工作的磨损又会带来严重的测量误差。该专利建议了一种新型电容式位移传感器（图20的结构示意图），采用超润滑的固体介质很好地解决了摩擦磨损问题从而能显著提高测量精度。进一步地，将这种微型传感器以阵列的方式排布形成容栅式结构[82]，就能够在保证超高测量精度（达纳米级别）的同时，使测量范围达到宏观尺度。

图20 超滑接触式电容位移传感器（a）传统的以空气为介质的变面积式电容位移传感器，电容测量值易受空气湿度波动和电极板间隙抖动的影响；（b）新型的采用超滑固体介质的电容位移传感器；（c）电容位移传感器形成阵列式容栅结构以增大测量范围

04总结、挑战与展望

经过20多年的发展，特别是最近几年实现的突破，超润滑和超低摩擦在实验和理论上都取得了长足进步。实验方面，实现了从微米到厘米尺度的室温、大气环境下的超润滑和微米尺度的高速超润滑[9, 46, 49]、实现了宏观尺度下多个摩擦副如二硫化钼[26]，类金刚石[6, 33]和石墨烯涂层[34]、水基液体润滑[35-38]，无定型碳膜[40, 41]等的超低摩擦；理论方面，对于超润滑的物理机制有了较完整的理解[8, 31, 42, 61, 62, 65-68, 83]，并开始构建相应的理论体系。这些成果，充分表明了超润滑和超低摩擦具有很大的实现工业级应用的潜力。

根据目前的认识，总结实现理想的超润滑需具备如下3个前提条件：

1）接触的两个表面必须是晶面，甚至不能有单个原子厚度的台阶，且面内刚度足够高。

2）须物理表面、而不能是化学表面，也就是说，表面原子与面外原子之间需是范德华相互作用，而不能是化学键（共价键、金属键、离子键甚至氢键）。

3）表面间绝对干净，不能有哪怕是原子、分子大小的附着物。

技术应用需要大面积接触，这时上述3个条件变得十分苛刻。可见，在通往超润滑技术应用的道路上，不会一帆风顺，将面临很多挑战。

第1项挑战来自于材料方面，即一时难以实现能够同时满足上述条件1）和2）的大面积接触面。例如，公认的可加工成工业级最平表面的材料之一单晶硅，实际上无法避免原子级台阶。另一类材料是无定型表面（如类金刚石，即DLC），但该类表面有非常多的未饱和的原子（即表面悬键）。即使是物理表面，如果不是单晶，则晶界处的化学键也使得条件2）不满足。

幸运的是，自2004年发现石墨烯可单独存在[84]、且2010年诺贝尔物理奖授予了这项发现以来，以石墨烯为代表的二维晶体材料受到了极大关注[12, 85]（图21），从而在大面积二维晶体材料制备上发展迅速。二维晶体材料的共同特点是面内原子通过非常强的σ化学键相互作用，而层间原子是极弱的物理相互作用，即范德华力。所以这类材料具非常高的面内抗拉伸刚度和强度。以石墨烯为例，其杨氏模量高达1TPa，是目前已知强度最高的材料[86]。可见，二维晶体材料是超润滑材料的绝好候选者。石墨烯外的其余二维晶体材料如二硫化钼（MoS2）、六方氮化硼（hBN）、二硒化铌（NbSe2）也具有类似的性质[12]（关于这部分的详细论述见文献[24]）。

不过对这些材料超润滑行为的研究，目前还主要停留在理论阶段，如Wang等[87]采用第一原理计算发现氟化石墨烯和二硫化钼异质结能实现稳定的超润滑。而O.Hod课题组[88]基于Registry Index方法[89]计算，结果表明由石墨烯和六方氮化硼组成的异质结由于二者的晶格失配，它们的界面是天然非公度接触，能实现稳定的超润滑。

图21 二维晶体材料示意图[85]

大尺度材料制备方面，最近的一项突破是2014年韩国三星研究院Jae-HyunLee等在锗基底上制备出的直径达5cm的无褶皱单晶石墨烯[90]。该研究组还证明可以将制备成的石墨烯完整地转移到二氧化硅/硅基底上，且不存在褶皱。此项研究成果为以石墨烯作为表面层、制备出宏观尺度的超润滑表面提供了强有力的支持和启发。一般而言，即使有了大尺度的二维单晶体，如何转移到一个平整的基底上并实现无褶皱，依然很具挑战[90]。

如何实现大尺度二维单晶表面之间绝对干净的接触是一项更大的挑战。只要暴露在环境中一会儿，表面上就将吸附很多水分子、碳氢化合物、PM2.5等。即使在超净室，也避免不了吸附。人们可以想象到太空去实现这样的目标，但成本会高得令人难以接受。因此，一个较为现实的方案是：先接触上，然后通过某种方法把接触区的吸附物从接触区排除出去。这正是下面将要讨论的问题。

实验方面，目前已经发现了两种清除接触区吸附物的有效方法。第1个是2011年由刘泽和郑泉水等[91]提出的纳米擦子方法（图22）。由于石墨烯面外变形极易（极其柔软），且石墨烯层与层之间的相互作用很弱但有效力程达数纳米（范德华力），因此，将一小块石墨片放置在一个平整表面（如石墨[0001]晶面、硬盘存储区上面的DLC镀层等）后，当表面吸附物只是原子、分子、或纳米颗粒时，石墨片处于直接接触的石墨烯（除被吸附物顶住的部分外）的大部分区域，将与下面的表面吸附在一起。又由于石墨烯面内刚度很大，当石墨块滑移时，吸附住的石墨烯边缘将刮扫掉运动前面的吸附物。如图所示的实验结果表明，这个方法不仅可以彻底地清除掉石墨片接触区以外的吸附物[55, 91]，也可以高效率地清除接触区的吸附物[92]。

图22 石墨纳米擦子[91]

然而，纳米擦子方法有可能面临石墨烯边缘容易起皱和撕裂的挑战[59]，这方面的研究非常重要，值得深入进行。

作为第2种方法，马明、郑泉水和M. Urbakh等[92]最近通过实验和理论研究表明，室内环境下，两片叠加在一起非共度接触的石墨片之间的摩擦力，随着来回相互擦拭的次数增加而迅速减小（图23），表明的确有清除界面中的吸附物（颗粒或分子原子）数量的作用，但达不到超润滑的“零”摩擦标准。文献[92]揭示了一个新的机理，就是这种来回擦拭可将界面中吸附物的扩散性提高3～10个量级。

图23 界面自清洁机理

作为本文的结尾，需要指出的是我们不仅要追求理想的境界–––超润滑，这将仍然是一个漫漫长征路，也要追求大尺度的超低摩擦，因为当前就有不少重大技术需求。有关后者的最新进展是美国Argonne国家实验室的A. Sumant课题组2015年在《Science》上所报道的发现[6]，即可以采用在类金刚石颗粒表面和二氧化硅表面间加入石墨烯小片与纳米金刚石的方法，实现宏观尺度的超低摩擦。该方法巧妙地将减小有效接触面积与形成非公度表面结合起来，其面临的主要问题实际上与绝大多数超低摩擦面临的问题类似，即加入的纳米金刚石会引起工业中常用表面的严重磨损，且其对于环境湿度有严格的要求（在高湿度下失效）。我们深信，已经得到应用的超低摩擦和将产生应用的超润滑研究将长期并存和相互促进。随着二维晶体材料制备的迅猛发展，后者将获得越来越多的应用。

05后记

本文第3.1、3.2、3.3小节分别由张首沫、赵治华和董华来起草，其它各节由郑泉水起草、欧阳稳根和马明补充。全文由郑泉水修改定稿，欧阳稳根统一全文格式和添加参考文献。受篇幅限制，本文集中介绍超润滑、以及超低摩擦和纳米摩擦等研究中与超润滑密切相关部分的主要进展。由于作者的学识及认识的局限，对重要文献遗漏和论述不当之处、特致歉意。

致谢

郑泉水团队的超润滑研究，获得了国家重大基础研究计划（973）项目（2013CB934200、2007CB936803）、国家自然科学基金重点项目（10832005、10332020）、创新群体项目（10121202）和面上项目（11572173、10252001）、唐仲英（中国）基金会（202031003）、北京市科委（Z151100003315008）、和清华大学自主研究计划（2014Z01007，2012Z01015）等资助。在本文撰写过程中，得到了张俊彦等许多宝贵的修改意见。此外，林立、汪洲、瞿苍宇和龚阳玉洁等提供了部分资料。

参考文献从略。

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