清华大学郑泉水团队实验发现子弹飞行速度结构超滑

maiwang

5月27日，《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）以《载荷诱导的石墨烯界面的动态行为转变》（Load induced dynamical transitions at graphene interfaces）为题，在线报道了清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心郑泉水教授研究组在结构超滑领域取得一个重要进展，即实验观测到速度为294m/s的结构超滑（此前的最高速度为25m/s），对应的平均加速度高达~1010m/s2。郑泉水的两位博士生彭德利和吴章辉为该论文的共同第一作者，郑泉水教授为通讯作者，论文合作者还包括郑泉水教授课题组2017级博士生史迪威、瞿苍宇博士、姜海洋博士、宋一鸣博士、马明副教授，以及美国科学院院士加布里埃尔•艾普莉(Gabriel Aeppli)教授和以色列特拉维夫大学迈克尔•乌尔巴赫(Michael Urbakh)教授。

       正压力下石墨岛内的石墨片层高速滑出现象。(a)石墨岛的电镜图片；(b)-(e)采用激光刀口法进行的速度测量示意图；(f)受压的石墨岛（左边）内片层飞出将右侧石墨岛的岛盖（蓝色部分）剪切开；(g)受压的石墨岛（左边）内片层飞出时将右侧石墨岛的岛盖击飞带走；(h)-(i)对应于(f)-(g)中受压的石墨岛内的片层飞出前(蓝色虚线)和飞出后（黑色实线）的高度截面图（AFM测量图）；(j)一个典型的采集到的石墨片层飞出时的光强信号变化；(k)测量得到的石墨片层高速飞出的速度分布统计图。
       摩擦是人类历史上研究和利用的最久远、最基础、最重要的现象之一，对物理、工程、化学、生物等领域具有十分重要的意义。由郑泉水教授研究组于2012年开创的结构超滑技术，是指两个微米尺度以上固体表面间接触摩擦近乎为零（简称“零”）、磨损为零的现象。这个曾经被认为“不可能”的技术的实现，为未来产生诸多的颠覆性技术带来了难得的机遇。2018年，《自然》期刊邀请郑泉水等分别撰写了该期刊第一篇有关超滑的展望综述；去年，深圳市政府和深圳市坪山区政府专款资助郑泉水团队，在深圳设立了全球第一个结构超滑技术研究机构——深圳清华大学超滑技术研究所。
        本文通过在实验中观察到的两个有趣的实验现象，即“石墨片高速滑出行为”和“正压力石墨片奇异振荡行为”，以及利用实验室自行搭建的激光刀口设备，测量出目前报道的在结构超滑条件下的最高速度(294 m/s)，对应的平均加速度极其惊人（~1010m/s2），可能是块体材料（非基本粒子）报道过的最高加速度。进一步的理论分析得到此过程中摩擦系数可低达10-6，是已经报道的固体表面间接触摩擦系数的最低值。基于此现象有望进一步发展若干基于结构超滑的新型微纳器件，如微位移放大器、光开关等。
       该论文的第一单位为清华大学工程力学系和清华大学微纳米力学与多学科交叉研究中心，合作单位包括摩擦学国家重点实验室、清华大学机械工程系、保罗·谢勒研究所、苏黎世联邦理工学院、洛桑联邦理工学院和以色列特拉维夫大学。
       原文链接:https://www.pnas.org/content/ear ... 17/tab-article-info
       文章来源：清华大学
       郑泉水，工学博士、清华大学工程力学系教授、清华学堂钱学森班创办首席教授和清华大学微纳米力学与多学科交叉研究中心创办主任等。曾任清华大学工程力学系主任、中国力学学会力学学报和Acta Mechanica Sinica主编和清华大学-以色列特拉维夫大学XIN中心创办主任等。郑教授早期建立了作为非线性和各向异性材料本构方程研究理性基础的现代张量函数表示理论，获国家自然科学二等奖。近十五年来，郑教授的研究在国际上实现了超润滑领域的一次重大突破，即在微米尺度实现了固体表面之间直接接触“零”摩擦，引发了一系列基础研究和技术创新，再次获得国家自然科学奖二等奖，应邀在Nature发表该领域的展望综述，有望在高端制造以及信息技术领域催生一系列颠覆性新技术；提出了极端疏水新概念并奠定了其理论和实验基础，并致力于在医疗器件、能源环境等方面的应用。