鄭泉水院士團隊在納米結構表面實現穩定的結構超滑狀態

近日,清華大學微納米力學與多學科交叉創新研究中心鄭泉水院士研究組在結構超滑技術相關研究領域取得重要進展,該研究采用巧妙的實驗設計,通過在轉移至納米結構表面上的單晶石墨片中心施加集中力,實現石墨片邊緣的翹曲,消除石墨片邊緣與基板之間的強相互作用,進而在大氣環境下實現了微米級石墨薄片和納米結構硅表面之間穩健的結構超滑狀態。研究不僅挑戰了摩擦學和結構超滑的傳統理解,即較粗糙的表面會導致更高的摩擦并導致磨損,而且還證明了具有單晶表面的石墨片在無邊緣接觸的條件下,可以與任何非范德瓦爾斯材料實現穩健的結構超滑狀態。此外,該研究提供了一種通用的表面改性方法,推動結構超滑技術在大氣環境中得以廣泛應用。

超滑石墨片和兩種硅表面的摩擦力測量。(a)測量石墨/硅界面摩擦力的實驗裝置示意圖。將硅牢固地固定在壓電陶瓷換能器 (PZT)平臺上,其上放置了帶有Au蓋的石墨片。法向力和側向力是通過將原子力顯微鏡(AFM)探針尖端壓在Au蓋頂部來施加的。當PZT載物臺以速度v往復運動時,AFM探針尖端將拖拽石墨片在硅上往復滑動。(b)實驗裝置的光學顯微圖像。(c)和(e)分別是原子級光滑硅表面和納米結構硅表面的表面形貌。(d)和(f)分別為石墨片在原子級光滑硅表面和納米結構硅表面滑動時的側向力信號,滑動位移幅度為1μm,速度為2 μm/s,法向力為20.04μN。

摩擦和磨損是自然界耦合在一起的兩種基本物理現象,在機械系統中造成了巨大的能源浪費、環境污染和部件故障,導致一大批關鍵技術難以攻克,例如基于平面運動形式的微機電系統、微型機器人等。據統計,汽車中化石燃料提供的能量有近三分之一被摩擦消耗掉。而在微觀世界中,基于尺度效應,界面摩擦和磨損將成為與其他效應相比最重要的問題之一,從而導致器件極其容易失效,可靠性低,難以走向批量化應用。雖然有機油等液體潤滑劑在實際應用中對摩擦磨損有很大的抑制作用,但在強約束和極端外部條件下,例如高外部載荷、高溫以及存在化學污染或在真空環境中,液體潤滑將會失效。并且,基于液體內部剪切的潤滑在納米尺度上由于粘度會大大增加,也會導致失效,這將很難應用于微觀場景,例如微機電系統、微型傳感器、微型機器人等。因此,要解決上述問題,就需要一種從本質物理特性上減少摩擦、消除磨損的有效技術,而不是引入其他間接物質作為摩擦副。

結構超滑(Structural Superlubricity)指的是兩個完全接觸的固體表面在滑動過程中,保持幾乎為零的摩擦力和零磨損的狀態,為上述挑戰提供了一種顛覆性的解決方案。2012年鄭泉水院士團隊第一次在大氣環境中以每秒量級的速度實現了微米尺度結構超滑,開創了結構超滑技術。隨后,團隊對高速結構超滑(達到293)的探索進一步激發了學術研究領域和實際應用領域的廣泛興趣。這些應用包括基于結構超滑技術的超級微發電機和電致彈簧諧振器,展示了結構超滑技術的多種潛力。在深圳市政府和深圳市坪山區政府資助下,鄭泉水院士團隊領導建立了全球第一個結構超滑技術研究機構——深圳清華大學研究院超滑技術研究所。

值得注意的是,在最近的進展中,結構超滑狀態已被證明可以在單晶石墨片和各種非范德瓦爾斯材料之間實現,例如類金剛石碳(DLC)、硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al3O2)、氮化硅(Si3N4)等,這顯著拓寬了結構超滑技術在實際應用中的材料選擇。然而,由于石墨片不可避免存在邊緣缺陷,這將導致石墨在原子級平坦的硅表面上滑動時,存在一定概率的高摩擦(>5 μN)和發生相應的磨損,導致結構超滑狀態失效。因此,該研究設計了一種表面修飾工藝,制備了均勻的納米結構陣列,研究人員發現單晶石墨片與納米結構硅表面之間可以實現穩定的結構超滑狀態,摩擦力始終小于1μN,并且沒有可觀察到的原子級磨損。通過詳細的表征和模擬,研究人員發現導致上述優異性能的機制是納米結構表面的石墨片邊緣在集中力作用下會發生翹曲,從而消除了石墨片邊緣與襯底之間的強相互作用,進而消除了磨損,實現了穩定的結構超滑狀態。

該研究以“具有高電流密度和超長壽命的微型肖特基超滑微發電機”(Robust microscale structural superlubricity between graphite and nanostructured surface)為題,在線發表于《自然通訊》(Nature Communications)上。清華大學微納米力學中心、清華大學機械工程系先進裝備摩擦學國家重點實驗室博士生黃軒宇為該論文第一作者,清華大學機械工程系馬明副教授和清華大學、清華大學微納米力學與多學科交叉創新研究中心鄭泉水院士為該論文的共同通訊作者,論文合作者還包括博士生李騰飛、王進博士、夏凱碩士、博士生譚子裴、彭德利博士、向小健博士、清華大學劉彬教授。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38680-6

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