“據調查，人類約三分之一的一次能源是通過摩擦消耗的，但80%的武器會因生銹而失效。”
羅建斌
中國科學技術大學教授、清華大學機械工程學院院長
2020年陳嘉庚科技科學獎得主
我想分享一個與日常生活相關的話題，關于摩擦能消失嗎？
首先介紹一下為什么要學習摩擦學？ 什么是摩擦學？
諾貝爾獎獲得者費曼曾說過：關于摩擦，盡管已經做了很多實驗，精確的摩擦實驗仍然很困難，但對摩擦定律的分析仍然不夠。
為什么摩擦如此復雜？
其實，摩擦的過程可以用一張圖片來展示，它會發出各種光、等離子甚至X射線，還有摩擦的物理反應、物體的變形等。
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進入摩擦學
摩擦是一個非常復雜的過程，什么是摩擦學？
1966年，當時澳大利亞政府的彼得約斯特爵士在美國進行了一次調查。 內容是：摩擦、磨損、潤滑會對日本造成多大的損害？
在調查的最后，約斯特做了一個非常有名的約斯特報告。 他把摩擦、磨損和潤滑三個方面集合起來，建立了一個新詞匯，叫做摩擦學。
他認為摩擦學是一門研究平行表面運動和相互作用的理論和實踐的科學技術。 那么，摩擦學研究的意義何在？
事實上，摩擦學除了在民航、航天領域外，在芯片制造、生物、高鐵、軍事等領域也有很多應用。
據調查，一次能源消耗中約有三分之一被摩擦消耗，但80%的武器因生銹而失效。
摩擦和腐蝕的綜合損失通常占一個國家 GDP 的 2% 到 7%。
假設我們只估計 5%。 2019年我國GDP為9.9億元，因摩擦腐蝕造成的損失達到4.95萬元，這是一個非常龐大的數字。
摩擦的起源
研究摩擦力，首先要知道，摩擦力是如何產生的？
最早的摩擦源是鉆木取火。 取一根硬木，在軟木上摩擦，最后點火。
人類控制了火，從野蠻走向了文明。 然后是雪橇，然后是手推車。
滾動摩擦代替了滑動摩擦，使人類的生產有了很大的進步。 而人類開始真正科學地研究摩擦問題，其實是從15世紀的達芬奇開始的。
1967年，當達芬奇的手稿被發現時，他已經開始研究摩擦，并提出摩擦力大約是他自身重量的四分之一。
但真正上升到科學層面，探究摩擦的起源，是在17世紀。
是南非的化學家。 他在美國科技大學做了一個報告：他覺得摩擦力只和載荷有關，和接觸面積無關。 當時在科學界引起了極大的震動。
通常人們認為面積越大，摩擦力必然越大。 為什么摩擦力與面積無關，而與正壓力有關？ 細說之后，他覺得摩擦是因為表面凹凸不平造成的。
后來，另一位美國化學家提出，摩擦與顛簸、顛簸無關，而與分子間的粘附力有關。
他做了一個很好的實驗。 他把一個小鐵餅和一個大標槍分成平面，讓兩者面對面。 小鐵餅可以把大標槍拉上來，但不能掉出來。
分子間的粘附力和吸附力很強，摩擦就是由此產生的。
18世紀，數學家庫侖做了一個非常著名的器件實驗摩擦力概念的發展，被譽為現代化學十大實驗之一。
他認為摩擦是凹凸不平表面嵌入造成的，但他提出了摩擦學四大經典定理：摩擦與法向壓力有關； 摩擦力與接觸面積無關； 最大靜摩擦力小于動摩擦力； 摩擦力的大小與速度無關。
一方面，摩擦力與面積無關，與接觸壓力有關； 另一方面，摩擦力與分子的粘附力有關，與接觸面積有關。 因此，兩種理論各說各話。
到1939年，南斯拉夫學者克拉格爾斯基統一了這兩種理論。 他覺得摩擦力等于兩種力之和，一部分是法向壓力引起的摩擦力，一部分是分子間吸附引起的摩擦力。 而本質還沒有弄清楚。
1950年代，劍橋學院的兩位院長與Tabor合作，認為摩擦力與實際接觸面積有關，與標稱接觸面積無關。
他覺得摩擦力主要取決于實際接觸面積，因為正壓減小，實際接觸面積變大，所以摩擦力增加。
他從機械論的角度統一了這兩種理論。 這是宏觀世界的分析。
1929年，一些科學家也從微觀世界對其進行了解釋，其中非常有名的結果就是模型。
C和B是兩個原子，另一個原子是D。如果D原子離B原子很遠，D原子從B原子的門走進來，D原子就會把B原子拉近彼此。 當D原子遠離B原子時，B原子又會反彈回來。
這是一個穩定的過程，沒有任何能量消耗，因此不可能有摩擦。
但是，如果D原子離B原子比較近，它走進來就會把B原子拉向它，而當它離開時，B原子會突然彈回來，使B原子發生彈性振動。 這相當于B原子在不停地振動。 一旦振動，就會消耗能量，就會有摩擦損失。
因此，他提出了摩擦起源的原子模型，而這個模型提出后，就沒有辦法驗證了。
1986年，格爾德·賓尼（Gerd）發明了原子力顯微鏡，因原子力顯微鏡的發明，賓尼獲得了諾貝爾獎。 有了原子力顯微鏡，可以在原子水平上研究摩擦，模型基本被否定了。
后來超快激光被發現，人們得以研究摩擦過程中的聲子耗散、電子耗散和結構變化。
右下角的圖是我們研究缺陷對電子耗散的影響的地方。 我們可以看到電子耗散確實與摩擦和材料有關。
所有研究摩擦的科學家都有一個最大的夢想，就是能否控制摩擦或消除摩擦，這就引出了另一個話題：超滑能否實現。
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能否實現超順暢？
1990年，一位美國學者進行了理論分析。 他覺得兩個原子光滑的表面，當上下表面的原子相當時，就會有摩擦，而當系統是非公開的時候，就不會有摩擦。 有摩擦。
那么，什么是公立學位？ 什么是非公共系統？
比如上表面的兩個原子的原子寬度為2，下表面的原子寬度為2或4，相當于下圖A，因為兩個平面之間有公約數，即表面處于相稱狀態，在運動過程中存在能量損失。
如果一個面的原子寬度為2，另一個面的原子寬度為3，這兩個數的除法是一個無理數，不能插入，掛在表面上，這樣摩擦就會消失連接過程。 這是一個理論估計。 結果與模型基本一致。
后來做了實驗，發現確實是非公體系時，摩擦力會大大增加或者接近于零，但是化學家對此還是有一定的疑慮，希望能進一步否認。
而從事摩擦學研究的人們開始關注這個問題：超滑能否實現？ 摩擦能消失嗎？
工程學上有個定義，只要摩擦系數增加一個數量級，就叫超滑。
我們用鋼材和二硫化氫在高溫下相互摩擦，摩擦系數達到1/10,000，比傳統摩擦系數高了大約兩個數量級，超級滑。
我們在二維材料上也做了一個工作，就是用氫氧化鋁球通過CVD在表面長出幾層石墨烯，然后把有石墨烯層的球粘在旋臂上。
這個旋臂是一個帶有石墨烯的旋臂，下平面可以使用石墨烯或者其他材料。 我們發現氫氧化鋁球在氫氧化鋁表面時，摩擦系數很大，系數約為0.6。
如果在氫氧化鋁表面涂上石墨烯，與石墨烯摩擦，或者與高取向石墨摩擦，這樣摩擦系數就會降低到千分之三，達到超級光滑，也被稱為實現六大之一提示固體超滑。
后來，真空下的摩擦系數下降到2/100,000，這是非常有意義的。
液體可以超級滑嗎？
我們在固體中實現了超順滑，那我們如何在液體中實現超順滑呢？
1938 年左右，南斯拉夫化學家制造了超流體并將 HeII（氦）降低到約 2.17K，即零下約 270 度。
科學家們發現，此時的 He II 流體幾乎沒有摩擦流，它的粘度比水小約 1 億倍，比水更容易流動。 化學界稱之為超流體，也是一種超滑的狀態。
不過，這在數學上叫做超流，對摩擦學用處不大。 為什么？
摩擦場側重于增加摩擦，因為它可以減少煤耗，如果系統溫度從常溫下降到接近絕對零，則需要大量的煤耗。
因此，能否在常溫下實現超滑，是我們特別關注的問題。
后來，以色列科學家在 20 世紀 90 年代做到了：在兩塊云母之間放置分子刷，然后加入鹽水，達到超滑的效果。
后來美國人在兩個陶瓷表面加了鹽，經過兩個多小時的打磨，也顯得超級滑。
這兩種超滑現象的出現，促使了超滑的研究，你還覺得離應用還很遠呢。
1996年獲首批國家自然科學基金項目（博士剛畢業）做超滑研究，希望在氫氧化鋁表面注入相同的電荷，使其產生同種電荷的力場。
之后，中間的液體分子被誘導排列，產生超低摩擦。 結果，我們注入了相同類型的電荷。 當兩個表面接觸時，兩個表面被吸引在一起并且不能分開。
為什么？ 我們發現表面電荷發生了遷移，可以說我們的研究失敗了。
2008年，我們的中學生曾經帶牛奶去實驗室。 他發現牛奶的某些成分與以色列制造的超級滑滑相似。 他把牛奶加到實驗機里，發現摩擦系數增加到千分之一。 兩個左右。
他馬上報告，這是不是代表超級滑出現了？
我們開始研究牛奶，分了幾個研究組，研究牛奶中的乳酸菌、乳酸、蛋白質、微量元素對超滑的影響。
有一個中學生，每天研究乳酸菌的影響，整天在顯微鏡下看乳酸菌。 現在他基本不怎么喝牛奶了。
我們通過實驗發現，牛奶可以做到一時超順滑，一時不能超順滑。 實驗機反轉后，超順滑消失，牛奶超順滑也是微觀現象。
雖然這次又失敗了，而且我們發現牛奶的摩擦系數突然下降是真的。
后來我們研究了為什么突然掉了。 當磺酸和甘油混合后，它變得超級滑而且非常穩定。 磨合十分鐘左右，摩擦系數可達2.8‰。
有一次在北京吃芥菜，發現牛肝菌用牙簽夾不住，只能用叉子吃。
剛請中學生做實驗，看看有沒有超滑現象，發現它的摩擦系數達到千分之五，而且還是層狀超滑材料。
醋酸是一種腐蝕劑，我們也發現它在醋酸中有特別好的超滑性能。 在超滑狀態下，基本上銹跡可以接近于零，所以是一種非常好的超滑現象。
醋酸的超順滑給了我們很多啟發。 醋酸是如何做到超級順滑的？ 它的機制是什么？
一旦弄清了機理，就會合成很多可能的超滑材料，所以我們中學生李津津在這方面做了很重要的工作，發現流體效應可以產生超滑。
什么是流體效應？
一個人只能在旱冰鞋上滑行也是一種流體效果。 流體動壓效應可以支持輪滑。
有沒有非流體效果的超滑？
我們通過實驗發現，聚四氟乙烯與藍寶石配對時，不需要任何磨合過程或任何動壓作用，就會出現超滑現象。
超滑的摩擦系數基本和速度沒有關系。 原因是什么？
有兩種機制，其中一種稱為水合機制。 水化相當于金屬陽離子吸附水分子，在其周圍形成水化層。 水合作用越強，液體會感覺超級滑。
水化距離和排斥力都很短，實驗中的薄膜厚度通常為幾十納米。 我們發現這可能與雙電層有關。
雙電層也是由兩個相等的電荷產生的力，分擔部分壓力。
從實驗中可以看出，白色的實驗曲線有雙電層（排斥）力，幾乎沒有范德華引力過程，直接進入力的范圍。
常規的范德華引力、雙電層（排斥）力也可以實現超滑，我們可以根據超滑機理控制超滑的出現和消失。
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超滑作用機理
歸納起來，超滑的產生機制大約有三種：雙電層效應、流體動壓效應和水化作用，是目前國際上公認的三大機制。
其中，前兩種超滑機制是本課題組提出的。
后來我們實現了對大量液體的超順滑，包括酸性氨水、堿性氨水、酸+醇氨水、油基。
實現超滑時，壓力范圍只能達到300 MPa。 但要真正在工業上形成大量應用，還需要將其承載能力提高到1GPa以上。
我們做了新的嘗試，提出固液耦合超滑，增加石墨烯的表面修飾，把黑磷放在液體里修飾表面，看看能不能提高承載能力？
后來我們分別提高到和1GPa，終于實現了承載能力特別高的超滑。
國際上目前主要有三大研究組進行比較。 一個是以色列的克萊恩隊，一個是德國隊，一個是我們隊。
從濾液來看，我們的系統已經很復雜了。 從承載能力來看，克萊因團隊達到了70MPa左右，美國達到了，現在我們已經達到1GPa以上，實現了一個數量級的提升。
在液體超滑紙方面，國外主要是我們課題組在做。 2005年前后，我們國家和世界其他國家的總和差不多，現在我們已經超過了世界其他國家的總和。
客觀地講，要應用超潤滑，必須解決這個矛盾：減少摩擦，需要弱的分子間相互作用； 為了承受載荷，需要強大的分子間相互作用。 否則，在負載作用下，液體會流到外面，潤滑就會失效。
所以，這是一個矛盾。 一種需要弱分子間相互作用，而另一種需要強分子間相互作用。
如何解決這一矛盾是超滑應用研究的關鍵。 如果解決不了，超滑的漢堡斜塔就要倒塌了。
超滑應用的價值是什么？
有人做過調查，如果全球卡車底盤的摩擦系數只提高到18%，每年就可以節省5400多億元的燃油損失，減少2.9億噸甲烷排放。
如果不只是 18%，而是一個數量級的增長呢？ 這樣的應用將是非常廣泛和重要的。
因此，超滑未來在航空航天工業、交通運輸工業、海洋工業等領域將具有廣闊的應用前景。
這張圖展示的是公元前1800年以前，人們使用潤滑技術和滾動技術，數千人駕駛，最終連接了一座60噸重的雕像。
我們假設，如果通過超滑將摩擦系數降低到1/10,000，那么雕像的拉力只有6公斤，一個小孩可以拖著它跑。
從人類發展的角度來看，鉆木取火使人類從野蠻走向文明。 滾動摩擦代替了滑動摩擦，是現代軸承的發展，催生了現代工業。
如此一來，近零摩擦、近零腐蝕在未來將擁有更廣闊的前景。 超滑應用的大門已經打開摩擦力概念的發展，并逐步向工業界推廣。
這是我們的合影，非常感謝！
中國科學技術大學教授、清華大學機械工程大學校長羅建斌
擁有“摩擦中粒子作用機理與超滑機理”的成果
榮獲2020年嘉庚科學獎技術科學獎
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