近日，清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心郑泉水院士研究组在结构超滑技术相关研究领域取得重要进展，该研究采用巧妙的实验设计，通过在转移至纳米结构表面上的单晶石墨片中心施加集中力，实现石墨片边缘的翘曲，消除石墨片边缘与基板之间的强相互作用，进而在大气环境下实现了微米级石墨薄片和纳米结构硅表面之间稳健的结构超滑状态。研究不仅挑战了摩擦学和结构超滑的传统理解，即较粗糙的表面会导致更高的摩擦并导致磨损，而且还证明了具有单晶表面的石墨片在无边缘接触的条件下，可以与任何非范德瓦尔斯材料实现稳健的结构超滑状态。此外，该研究提供了一种通用的表面改性方法，推动结构超滑技术在大气环境中得以广泛应用。
超滑石墨片和两种硅表面的摩擦力测量。（a）测量石墨/硅界面摩擦力的实验装置示意图。将硅牢固地固定在压电陶瓷换能器 （PZT）平台上，其上放置了带有Au盖的石墨片。法向力和侧向力是通过将原子力显微镜（AFM）探针尖端压在Au盖顶部来施加的。当PZT载物台以速度v往复运动时，AFM探针尖端将拖拽石墨片在硅上往复滑动。（b）实验装置的光学显微图像。（c）和（e）分别是原子级光滑硅表面和纳米结构硅表面的表面形貌。（d）和（f）分别为石墨片在原子级光滑硅表面和纳米结构硅表面滑动时的侧向力信号，滑动位移幅度为1μm，速度为2 μm/s，法向力为20.04μN。
摩擦和磨损是自然界耦合在一起的两种基本物理现象，在机械系统中造成了巨大的能源浪费、环境污染和部件故障，导致一大批关键技术难以攻克，例如基于平面运动形式的微机电系统、微型机器人等。据统计，汽车中化石燃料提供的能量有近三分之一被摩擦消耗掉。而在微观世界中，基于尺度效应，界面摩擦和磨损将成为与其他效应相比最重要的问题之一，从而导致器件极其容易失效，可靠性低，难以走向批量化应用。虽然有机油等液体润滑剂在实际应用中对摩擦磨损有很大的抑制作用，但在强约束和极端外部条件下，例如高外部载荷、高温以及存在化学污染或在真空环境中，液体润滑将会失效。并且，基于液体内部剪切的润滑在纳米尺度上由于粘度会大大增加，也会导致失效，这将很难应用于微观场景，例如微机电系统、微型传感器、微型机器人等。因此，要解决上述问题，就需要一种从本质物理特性上减少摩擦、消除磨损的有效技术，而不是引入其他间接物质作为摩擦副。
结构超滑（Structural Superlubricity）指的是两个完全接触的固体表面在滑动过程中，保持几乎为零的摩擦力和零磨损的状态，为上述挑战提供了一种颠覆性的解决方案。2012年郑泉水院士团队第一次在大气环境中以每秒量级的速度实现了微米尺度结构超滑，开创了结构超滑技术。随后，团队对高速结构超滑（达到293）的探索进一步激发了学术研究领域和实际应用领域的广泛兴趣。这些应用包括基于结构超滑技术的超级微发电机和电致弹簧谐振器，展示了结构超滑技术的多种潜力。在深圳市政府和深圳市坪山区政府资助下，郑泉水院士团队领导建立了全球第一个结构超滑技术研究机构——深圳清华大学研究院超滑技术研究所。
值得注意的是，在最近的进展中，结构超滑状态已被证明可以在单晶石墨片和各种非范德瓦尔斯材料之间实现，例如类金刚石碳（DLC）、硅（Si）、二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al3O2）、氮化硅（Si3N4）等，这显著拓宽了结构超滑技术在实际应用中的材料选择。然而，由于石墨片不可避免存在边缘缺陷，这将导致石墨在原子级平坦的硅表面上滑动时，存在一定概率的高摩擦（>5 μN）和发生相应的磨损，导致结构超滑状态失效。因此，该研究设计了一种表面修饰工艺，制备了均匀的纳米结构阵列，研究人员发现单晶石墨片与纳米结构硅表面之间可以实现稳定的结构超滑状态，摩擦力始终小于1μN，并且没有可观察到的原子级磨损。通过详细的表征和模拟，研究人员发现导致上述优异性能的机制是纳米结构表面的石墨片边缘在集中力作用下会发生翘曲，从而消除了石墨片边缘与衬底之间的强相互作用，进而消除了磨损，实现了稳定的结构超滑状态。
该研究以“具有高电流密度和超长寿命的微型肖特基超滑微发电机”（Robust microscale structural superlubricity between graphite and nanostructured surface）为题，在线发表于《自然通讯》（Nature Communications）上。清华大学微纳米力学中心、清华大学机械工程系先进装备摩擦学国家重点实验室博士生黄轩宇为该论文第一作者，清华大学机械工程系马明副教授和清华大学、清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心郑泉水院士为该论文的共同通讯作者，论文合作者还包括博士生李腾飞、王进博士、夏凯硕士、博士生谭子裴、彭德利博士、向小健博士、清华大学刘彬教授。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38680-6
